Impianti di bioenergia. Tecnologia del biogas. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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La fermentazione, che è alla base della produzione di biogas, porta a prodotti finali: metano CH₄ (55 - 65%), anidride carbonica CO₂ (30 - 35%), idrogeno H₂ (3 - 5%), in una piccola quantità di idrogeno solforato e ammoniaca. Essenzialmente, la fermentazione combina tre processi biologici: idrolisi, fermentazione acida e fermentazione del metano.

La produzione di biogas dal letame di paglia è di circa 1 - 1,8 m / giorno per capo di bestiame.

Il biogas ha un potere calorifico medio di 20 - 23 MJm3.

Insieme al biogas, la digestione anaerobica dei reflui zootecnici e avicoli produce un prezioso fertilizzante ecologico, privo di microflora patogena, uova di elminti, semi di erbe infestanti, nitriti e nitrati e specifici odori fecali.

Il potenziale per la produzione di biogas utilizzando i rifiuti animali, l'allevamento di pollame e le imprese di trasformazione del complesso agroindustriale è molto elevato.

Produzione di biogas da rifiuti solidi urbani (RSU)

Il forte aumento dei consumi negli ultimi decenni in tutto il mondo ha portato a un aumento significativo della produzione di rifiuti solidi urbani (RSU). Uno dei principali metodi di smaltimento dei RSU in tutto il mondo rimane il seppellimento nell'ambiente geologico vicino alla superficie. In queste condizioni, i rifiuti subiscono un'intensa decomposizione biochimica, che provoca in particolare la generazione di gas di discarica (LFG). Le emissioni di SG che entrano nell'ambiente naturale formano effetti negativi sia di natura locale che globale. Per questo motivo, in molti paesi sviluppati del mondo, vengono prese misure speciali per ridurre al minimo le emissioni di SG. Ciò ha effettivamente portato alla nascita di un ramo indipendente dell'industria mondiale, che comprende l'estrazione e l'utilizzo del gas di discarica.

Il metodo principale per risolvere questo problema è la tecnologia di estrazione e utilizzo di SG. Per l'estrazione del gas di discarica nelle discariche, viene utilizzato il seguente diagramma schematico: una rete di pozzi verticali di drenaggio del gas è collegata da linee di gasdotti, in cui l'unità del compressore crea un vuoto necessario per il trasporto di SG nel luogo di utilizzo (Fig. 5.2). Gli impianti per la raccolta e lo smaltimento sono montati in un sito appositamente preparato all'esterno del corpo della discarica.

Fig.5.2. Schema a blocchi di un impianto per la produzione e l'utilizzo di biogas

I pozzi verticali vengono utilizzati per estrarre SG nelle discariche di rifiuti solidi urbani. Di solito si trovano uniformemente sul territorio della discarica con un gradino di 50 - 100 m tra pozzi adiacenti. Il loro diametro oscilla tra 200 e 600 mm e la profondità è determinata dallo spessore del cassone ribaltabile e può essere di diverse decine di metri. Per la perforazione dei pozzi vengono utilizzate sia attrezzature di perforazione convenzionali che attrezzature specializzate, che consentono di costruire pozzi di grande diametro. Allo stesso tempo, la scelta di questa o quella attrezzatura è determinata da ragioni economiche.

Ogni pozzo drena uno specifico blocco di rifiuti solidi, avente condizionatamente la forma di un cilindro. La stabilità del funzionamento del pozzo può essere assicurata se la sua portata non supera il volume della SG appena formata. La valutazione della produttività di gas degli strati esistenti di RSU viene effettuata nel corso di studi geochimici preliminari di gas di giacimento.

La costruzione di un sistema di drenaggio del gas può essere effettuata sia sull'intero territorio della discarica di rifiuti solidi dopo la fine del suo funzionamento, sia su singole sezioni della discarica secondo la sequenza del loro caricamento. Allo stesso tempo, si dovrebbe tenere conto del fatto che i corpi della discarica con uno spessore di almeno 10 m sono adatti per l'estrazione di SG. È auspicabile, inoltre, che il territorio della discarica di rifiuti solidi, dove è prevista la realizzazione del sistema di raccolta di SG, sia bonificato, cioè ricoperto da uno strato di terreno di almeno 30 - 40 cm.

In media, la produzione di gas termina in una discarica entro 10 - 50 anni, mentre la produzione specifica di gas è di 120 - 200 metri cubi. m per tonnellata di RSU. Una variazione significativa della produttività del gas e della velocità del processo è determinata dalle condizioni ambientali prevalenti in un particolare corpo di discarica. Tra i parametri che controllano la bioconversione vi sono umidità, temperatura, pH, composizione delle frazioni organiche.

Produzione di biogas da scarichi fognari (WWW)

Per più di 20 anni, i paesi dell'Europa occidentale sono stati attivamente coinvolti nella soluzione pratica del problema dello smaltimento dei rifiuti dagli impianti di trattamento delle acque reflue.

Una delle tecnologie comuni per l'utilizzo delle WWS è il loro utilizzo in agricoltura come fertilizzanti. La sua quota sul totale dei WWS varia dal 10% in Grecia al 58% in Francia, con una media del 36,5%. Nonostante la divulgazione di questo tipo di smaltimento dei rifiuti, sta perdendo il suo fascino, poiché gli agricoltori temono l'accumulo di sostanze nocive nei campi. Attualmente in diversi paesi l’uso dei rifiuti in agricoltura è vietato, ad esempio nei Paesi Bassi dal 1995.

L'incenerimento del trattamento delle acque reflue è al terzo posto in termini di smaltimento dei rifiuti (10,8%). Secondo le previsioni, in futuro la sua quota aumenterà al 40%, nonostante il costo relativamente elevato di questo metodo. L'incenerimento dei fanghi nelle caldaie risolverà il problema ambientale associato al loro stoccaggio, otterrà energia aggiuntiva durante la loro combustione e, di conseguenza, ridurrà la necessità di combustibili, risorse energetiche e investimenti. È consigliabile utilizzare i rifiuti semiliquidi per produrre energia nelle centrali termoelettriche come additivo ai combustibili fossili, come il carbone.

Esistono due tecnologie occidentali più comuni per l'incenerimento del trattamento delle acque reflue:

• combustione separata (combustione in letto fluido liquido (FLB) e forni multistadio);
• co-combustione (negli impianti di cogenerazione esistenti a carbone o negli impianti di cemento e asfalto).

Tra i metodi di combustione separata, l'uso della tecnologia a strato liquido è popolare; i forni con LCS sono quelli gestiti con maggior successo. Tali tecnologie consentono di garantire una combustione stabile di combustibili con un elevato contenuto di componenti minerali, nonché di ridurre il contenuto di ossidi di zolfo nei gas di combustione legandoli con calcare o metalli alcalino terrosi contenuti nelle ceneri combustibili durante la combustione.

Aspetti ambientali dell'uso del trattamento delle acque reflue

Il confronto delle composizioni chimiche di WWS, carboni neri e lignite bruciati al CHPP mostra che le composizioni elementari di WWS e lignite differiscono in modo insignificante. Il WWS (6,2% di umidità) contiene meno carbonio del 24,5% rispetto al carbon fossile (12% di umidità) e il 5% in meno della lignite (39% di umidità). La percentuale di zolfo supera il suo peso specifico nel carbone solo dello 0,2% rispetto al carbone e dello 0,4% rispetto al marrone. Il contenuto di azoto nel WWS è paragonabile a quello del carbon fossile ed è del 2% superiore a quello della lignite. Il confronto per sostanza secca mostra che il contenuto di carbonio in WS è quasi il 30% in meno, lo zolfo e l'azoto quasi non cambiano.

La composizione chimica e le caratteristiche della cenere WWS ne consentono l'utilizzo come materiale da costruzione stradale (con diametro particellare superiore a 1 mm), oltre che come additivo al cemento o su discariche come riempitivo.

Possibili opzioni per lo smaltimento dei rifiuti

Esistono sei opzioni alternative per lo smaltimento dei fanghi di depurazione, basate sia su nuove tecnologie non tradizionali sviluppate sulla base dell'esperienza russa o europea e prive di utilità pratica, sia su tecnologie "chiavi in ​​mano" completate:

1. Incenerimento in un forno a ciclone basato su forni di essiccazione a tamburo di impianti di trattamento (tecnologia russa - "Techenergokhimprom", Berdsk);
2. Incenerimento in un forno a ciclone basato su caldaie a tamburo di impianti di trattamento (tecnologia russa - "Sibtekhenergo", Novosibirsk e "Biyskenergomash", Barnaul);
3. Combustione separata in un nuovo tipo di forno multistadio (tecnologia occidentale - "NESA", Belgio);
4. Combustione separata in un nuovo tipo di forno a letto fluido (tecnologia occidentale - "Segher" Belgio);
5. Combustione separata in un nuovo forno a ciclone (tecnologia occidentale - ditte "Steinmuller", Germania);
6. Co-combustione in un impianto di cogenerazione a carbone esistente.

Ottenere biogas dagli scarti di allevamenti avicoli e zootecnici

Le risorse di biomassa rinnovabile di varia origine vengono accumulate ogni anno in grandi volumi o sono utilizzate in modo inefficiente.

L'uso efficiente della biomassa è possibile con l'introduzione di tecnologie e attrezzature adeguate per la produzione di combustibile sotto forma di trucioli di legno, bricchette, gas e combustibili liquidi.

I materiali sperimentali accumulati della revisione parlano a favore dell'ampio utilizzo della biomassa:

• la biomassa è al 4° posto al mondo tra i vari tipi di combustibili;
• la biomassa rappresenta il 14% del combustibile primario e delle risorse energetiche e nei paesi in via di sviluppo - fino al 35%;
• la biomassa è più rispettosa dell'ambiente se utilizzata come combustibile - minori emissioni di composti solforati e livelli di COXNUMX₂ nell'atmosfera;
• il periodo di ammortamento delle centrali elettriche funzionanti a biomassa non supera i 2 - 4 anni.

Tuttavia, sono attualmente in corso alcuni lavori di ricerca sulla combustione diretta della biomassa e sulla sua digestione anaerobica.

Produzione di biogas da scarti forestali e agricoli

Per massimizzare l'utilizzo dei rifiuti forestali e agricoli nel settore energetico, è stato sviluppato un processo di decomposizione, che consiste nel riscaldamento ad alta velocità senza accesso all'ossigeno (aria) a temperature alle quali il tasso di rilascio dei prodotti richiesti è massimo. È progettato per risolvere problemi energetici e ambientali.

I parametri del processo di pirolisi veloce, la composizione e la quantità di prodotti rilasciati sono preliminarmente specificati per ogni tipo di materia prima. L'impianto è sviluppato per ogni tipologia di materia prima. Le temperature massime di lavorazione sono determinate dalla temperatura di esistenza della sostanza nella fase condensata.

Il riscaldamento ad alta velocità della sostanza fornisce: minima perdita di energia nell'ambiente; la velocità massima del processo chimico con il rilascio di prodotti nella fase gassosa; massima concentrazione di umidità e suo utilizzo. La velocità di riscaldamento della sostanza deve superare la velocità dei processi fisico-chimici che si verificano nella massa lavorata. La resa in combustibile liquido è pari al 70% della massa organica della materia prima. Ad esempio, da 1 tonnellata di segatura si possono ottenere 700 litri di combustibile liquido.

I componenti inorganici e i prodotti di modificazione chimica (residui simili al carbone) rimangono nella fase solida. La quantità di residuo carbonioso è determinata dal contenuto di lignina ed è sempre inferiore alla quantità di residuo ottenuto da altri metodi di lavorazione.

Per ottenere il componente principale del combustibile liquido, la fase gassosa viene condensata (i prodotti a basso peso molecolare che si formano nel processo non vengono condensati). La fase gassosa, dopo o senza condensazione, può essere inviata direttamente all'incenerimento. Il calore di combustione (potere calorifico) del componente principale del combustibile è solitamente superiore al potere calorifico del combustibile secco di questo tipo. Quindi il potere calorifico della legna è di 4500 kcal / kg e il calore di combustione del combustibile liquido è di 5500 kcal / kg. Il carburante liquido può essere utilizzato come carburante nei motori a combustione interna.

L'impianto è alimentato dall'elettricità o dalla combustione di prodotti trasformati o materie prime.

Vantaggi del processo: alta velocità, alto grado di trasformazione dei prodotti lavorati; piccole dimensioni dell'unità principale dell'impianto; basso consumo energetico per unità di prodotto lavorato; basso costo dell’energia ottenuta dai prodotti di reazione.

Il costo dell'impianto con una capacità di 2 tonnellate di materie prime lavorate al giorno è di 2,5 milioni di rubli. Quando si lavora la segatura da 2 tonnellate, si ottengono 1,4 tonnellate di combustibile liquido. La produzione annua è di 500 tonnellate di combustibile liquido, al prezzo di 0,1 USD/litro, il fatturato annuo è di 50 mila USD, il periodo di ammortamento è di 3 anni.

Autore: Magomedov A.M.

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