Биогаз

Настоящий материал получен от частного унитарного предприятия Крансервис (212036, г. Могилев, улица Кутепова, 2, офис 202 212036, г. Могилев, улица Кутепова, 2, офис 202 Осипов В.В. – директор, Одинцов Сергей Ильич - зам.директора)

Целью настоящего предложения является создание биоэнергетической установки (в дальнейшем БЭУ) для анаэробного сбраживания органических отходов в термофильном режиме, с объемом переработки до 25 тонн навозных стоков в сутки влажностью до 95%. При этом на выходе из БЭУ получаются экологически чистые, без нитратов и нитритов, жидкие органические удобрения со следующими характеристиками, которые уточняются после запуска установки:

Влажность 95-97%
Абсолютно сухое вещество, АСВ 4-5%
Сухое органическое вещество, СОВ 65-75%
Водородный показатель, рН 7,0-7,4
Плотность 1003-1012 кг\м.куб
Общий азот 7,2% к АСВ
Фосфор 3,8% к АСВ
Калий 3,9% к АСВ
Углерод 1,06%
Наличие жизнеспособных яиц гельминтов 0
Всхожесть семян сорных растений 0
Нитраты и нитриты 0

В качестве другого продукта при прохождении реакции сбраживания в БЭУ выделяется биогаз состоящий из метана, углекислого газа и небольшого количества других сопутствующих газов. Выделяемый биогаз создает возможность использования его для получения тепловой и электрической энергий.

Внедряя БЭУ для переработки органических отходов, решаются следующие задачи:

А. Экологическая.
Происходит полная утилизация навоза и других органических отходов с их обеззараживанием. Сельхозживотные часто поражаются заболеваниями, вызываемыми паразитирующими червями-гельминтами. Из-за пораженности животных в Республике недополучается до 10% продукции животноводства. Обычно гельминтами животные заражаются, заглатывая их яйца-личинки, которые попадают во внешнюю среду с калом животных. Поэтому уничтожение их перед использованием навоза имеет большое профилактическое значение, особенно на пастбищах и полях, предназначенных под кормовые культуры. Патогенная микрофлора не переносит температуру свыше 40 гр.и погибает в течении короткого периода времени при температуре 55гр. Это делает термофильный режим сбраживания органических отходов наиболее приемлемым с точки зрения их обеззараживания и получения большего количества биогаза. Помимо этого устраняется эмиссия неприятных запахов, выделяемых органикой, полностью уничтожаются семена сорных растений. В результате применения после переработки жидких органических удобрений, поля не засоряются и становятся экологически чистыми. При внедрении БЭУ снижаются объемы типовых очистных сооружений, что создает возможность экономии материалов и оборудования при строительстве новых объектов и реконструкции старых.

Б. Агрохимическая.
При переработке органических отходов в БЭУ получаются экологически чистые жидкие органические удобрения, которые используются для получения экологически чистой продукции. В полученных органических удобрениях все вещества переходят в форму, легко усваиваемую растениями, что делает их эффективными сразу после внесения в почву. Также это создает возможность ухода от применения минеральных удобрений. Как показали испытания аналогичных удобрений в России и Прибалтике, внесение их в разведенном виде в соотношении 1:10, из расчета три тонны концентрированных удобрений на 1 ГА, или 30 тонн в разбавленном виде, повышают урожайность всех культур на 20-50%, а некоторых культур (земляника и клубника) в два раза. Научное объяснение данному эффекту было дано на Международном симпозиуме, проходившем в Санкт-Петербурге в 2002 году, где было сказано, что в БЭУ при термофильном режиме сбраживания синтезируются вещества класса ауксинов, которые способствуют ускоренному росту и развитию растений. Дальнейшее изучение данного механизма может открыть возможность получения сверхэффективных органических удобрений. При внесении жидких органических удобрений в почву, они способствуют сохранению влажности даже в сухую погоду и благодаря содержанию гумусных материалов улучшают физические свойства почвы. Как показали испытания, внесенные удобрения способствуют усвоению минеральных веществ, находящихся в почве в связанном состоянии. Помимо всего прочего получаемые жидкие удобрения содержат полный набор микроэлементов, необходимых для роста растений, и могут использоваться для выращивания сельхозпродукции гидропонным методом, при этом получаемая продукция имеет хорошие вкусовые качества и экологически чистая.

В. Энергетическая.
Выделяемый при получении удобрений в БЭУ, биогаз, используется для получения тепловой и электрической энергий, и создаются все условия для энергонезависимого обеспечения БЭУ. Данное обстоятельство позволяет использовать БЭУ в отдаленных от энергообеспечивающих сетей районах, а также возможна подача энергии в существующие сети в целях экономии закупаемых энергоносителей. Из органических отходов при переработке 25 тонн в сутки мы можем получить от 500 до 1000 метров кубических биогаза в сутки, при теплотворной способности биогаза от 5200 до 5600 ккал\м.куб, и около 100кВт.час.электроэнергии (860000 кВт в год).

Г. Социальная.
При запуске БЭУ улучшается экологическая обстановка, улучшаются условия труда рабочих, которые находятся в зоне БЭУ и прилегающих районах, создаются рабочие места.

Д. Экономическая.
Используя жидкие органические удобрения и уходя от применения минеральных удобрений, мы получаем экологически чистую продукцию с повышенной урожайностью, при этом не засоряем поля и не наносим экологического ущерба от применения минеральных удобрений. Учитывая, что затраты на покупку минеральных удобрений составляют около 60$ на 1 гектар посевной площади, можно сразу рассчитать экономический эффект от использования собственных органических удобрений. Используя биогаз в качестве источника тепловой или электрической энергий, мы экономим на энергоносителях, что снижает долю использования покупных энергоносителей как минимум на 10%. В итоге мы выигрываем на экономии минеральных удобрений, энергоносителей, повышении урожайности по всем видам с\х культур.

Е. Дополнительная.(Перспективная)
Средства, полученные от экономии внедрения БЭУ, можно направить на приобретение компрессорной станции. В результате можно из биогаза получать газ для заправки автомашин, а также углекислый газ, как в сжатом, так и в твердом виде (сухой лед). При использовании биогаза для получения генераторного газа, можно увеличить энергетическую составляющую в несколько раз, что существенно снизит энергетические затраты любого хозяйства и долю этих затрат в себестоимости получаемой с\х продукции. Твердую фракцию удобрений можно использовать при производстве белково-кормовых добавок.

Создание и внедрение БЭУ дает целый ряд преимуществ:
• значительное снижение объемов очистных сооружений;
• в получаемых органических удобрениях в аммонийной или органической форме сохраняется весь азот и др. компоненты (калий, фосфор и пр.) содержащиеся в исходном сырье;
• использование органических удобрений взамен минеральных, что значительно дешевле;
• улучшение физических свойств почвы за счет содержания гумусных материалов;
• увеличение урожайности по всем видам с\х культур как минимум на 20%;
• большая потребность в органических удобрениях для производства и выращивания экологически чистых продуктов;
• выделяемый биогаз, ввиду локального размещения БЭУ, не требует строительства дорогостоящих газопроводов и обеспечивает надежное снабжение энергией;
• создает возможность перспективных разработок по выращиванию отдельных видов с\х культур с повышенной урожайностью, что особенно выгодно в условиях тепличных комплексов;
• создание благоприятной экологической обстановки на территории и округе, где смонтирована и работает БЭУ;
• уменьшается засоренность полей, чем так грешно внесение непереработанной органики и исключается передозировка при подкормках, чем так грешно внесение минеральных удобрений.

Из сказанного следует, что для развития, создания и внедрения БЭУ с целью получения биогаза и высококачественных, экологически чистых органических удобрений необходимы инвестиции, которые стимулировали бы научно-технические работы в данной области и способствовали их внедрению в АПК для повышения рентабельности и конкурентоспособности продукции сельского хозяйства.

Возможная схема реализации проекта и краткое технико-экономическое обоснование настоящего проекта по созданию и внедрению БЭУ:
Показатель СН4 Компонеты CO2 Н2 Смесь 60% СН4 + 40% COz
Объемная доля, % 55-70 27-44 1 100
Объемная теплотасгорания, МДж/м3 35,8 10,8 22,8 21,5
Температура воспламенения, °С 650-750 — 585 650-750

Выход биогаза зависит как от исходного сырья (табл.), так и от технологии переработки.
Таблица: влияние вида исходного сырья на выход биогаза в мезофильном режиме сбраживания.
Исходное сырье Выход биогаза из 1 кг сухого вещества, л/кг. Содержание метана в газе, %
Трава 630 70
Древесная листва 220 59
Сосновая игла 370 69
Ботва картофельная 420 60
Стебли кукурузы 420 53
Мякина 615 62
Солома пшеничная 340 58
Солома льняная 360 59
Шелуха подсолнечника 300 60
Навоз КРС 200..300 60
Конский навоз с соломой 250 56..60
Домашние отходы и мусор 600 50
Фекальные осадки 250..310 60
Твердый осадок сточных вод 570 70

В термофильном режиме сбраживания выход газа увеличивается до 20% и более.
Так как на каждой ферме свои особенности удаления навоза, использования подстилочного материала, теплоснабжения, создать один типовой биореактор невозможно. Конструкция установки во многом определяется местными условиями, наличием материалов.

Для небольшой установки наиболее простое решение - использовать высвободившиеся топливные цистерны. Биореактор из железобетона требует меньше металла, но более трудоемок в изготовлении. Чтобы определить объем биореактора, нужно исходить из количества навоза, которое зависит как от численности и массы животных, так и от способа его удаления. Для уменьшения потерь тепла биореактор необходимо тщательно теплоизолировать. Здесь возможны разные варианты: в частности, можно устроить вокруг него легкий каркас, заполненный стекловатой, нанести на реактор слой пено-полиуриетана и пр. Давление газа, получаемого в биореакторе (300-400 мм вод. ст.), достаточно для его подачи на расстояние до нескольких сотен метров без газодувок или компрессоров.

Примерные затраты материалов и средств:
Оборудование и материалы:
Емкости для биореактора, газгольдера и хранения готовой продукции – изготавливаются в зависимости от потребности хозяйства, могут быть использованы емкости из под аммиачных удобрений или горючесмазочных веществ, а также изготовлены из бетона. Общий объем биореактора должен составлять не менее 10-ти кратного объема ежесуточно получаемых отходов, плюс 15-20% от полученного объема. Биореактор с объемом переработки 25 тонн навозных стоков в сутки, влажностью 95%, должен иметь общий объем до 300 м.куб. Объем получаемого газа составит от 600 до 1000 м.куб. в сутки и отсюда, учитывая непрерывный расход газа для работы газопоршневого генератора, объем газгольдера может быть сопоставим с объемом биореактора, т.е. тоже 250-300 м.куб.Емкость для хранения готовой продукции должна обеспечивать ее хранение как минимум в течении периода времени, необходимого для использования продукции. Помимо этого необходимы:

• Насосы шнековые – 2шт;
• Насосы фекальные – 2шт;
• Насосы рециркуляционные – 2шт (может и больше);
• Трубы диаметром 100, 50, 40, 32, 25, 15 – метраж в зависимости от расположения и конструкции биореактора и газгольдера;
• Изоляционный и теплоизолирующий материал;
• Газопоршневой генератор для получения электроэнергии и тепловой энергии (в нашем случае, при переработке 25 тонн навозных стоков, до 100 кВт эл.энергии и 150 кВт тепловой энергии).

Эскизную документацию на строительство биореактора специалисты хозяйства (инженер-механик, строитель, энергетик, электрик) могут подготовить за несколько дней. В документацию должны входить: технологическая схема, план размещения биореактора, газгольдера и газопоршневого генератора, потоки энергии и продуктов, трубопроводы, емкость готовой продукции, схема подключения насоса и осветительной арматуры, калькуляция - смета расходов. На генплане хозяйства нужно показать основные трубопроводы, подъездные пути, молниезащиту. Документацию необходимо согласовать с газовой инспекцией и пожарной охраной. При эксплуатации биореактора необходимо соблюдать все действующие нормы и правила работы с установками для сжигания природного газа. Биогаз имеет более узкий предел взрываемости, чем природный газ,- от 6 до 12 % (вместо5-15 %). В документации следует предусмотреть вентиляцию, которая, согласно СН. 433-79, должна обеспечивать в помещении объемом до 300 м.куб. восьмикратный обмен воздуха в час.

1. Производственные затраты на изготовление органических удобрений и биогаза в месяц (без учета стоимости исходного сырья)
1.1. Сырье (органические отходы собственного производства) 25 т\сут, 750 т\мес 0
1.2. Вода и вспомогательные материалы (химреактивы, разовое оборудование и пр.) 1500
1.3. Фонд заработной платы 2500
1.4. Дополнительный фонд заработной платы и налоги 1500
1.5. Непредвиденные и непроизводственные расходы (ремонт, командировки, представительские и пр) 1000
1.6. Амортизация(10 лет 240000 : 10 = 24000 в год : 12 = 2000 в мес.) 2000
ИТОГО: 8500$ США

Амортизация рассчитана исходя из стоимости оборудования, монтажа, наладки и строительных работ в сумме (при производительности 25 тонн в сутки) 240000$ США.

2. Производственные затраты на изготовление органических удобрений и биогаза в месяц (с учетом стоимости исходного сырья)
2.1. Сырье (органические отходы собственного производства) 25 т\сут, 750 т\мес *10 = 7500
2.2. 1.2.+1.3.+1.4+1.5+1.6 8500
ИТОГО: 16000$ США

3. Производство продукции в месяц.
3.1. Удобрения 25000 литров в сутки * 30 750 тыс.л.в мес.
3.2. Биогаз 500-1000 м.куб. в сутки. В среднем 750 м.куб. в сутки
А) 750 * 30 22500м.куб.в мес.
Б) 750 : 24 31м.куб. в час.

4. Себестоимость удобрений за один литр:
а/ без учета стоимости исходного сырья:
8500 : 750000 = 0,012 $ США
б/ с учетом стоимости исходного сырья в пределах 10 $ США за 1 тонну:
16000 : 750000 = 0,022 $ США
Себестоимость биогаза принимаем равной нулю, как побочного продукта.
Стоимость одного литра жидких органических удобрений на рынке составляет 0,1 $ за литр, получая в год ( 750000 * 12 = ) 9.000.000 литров удобрений, можно расфасовать их в объеме 20%, что составит 1.800.000 литров. С учетом получаемой прибыли (даже с учетом стоимости исходного сырья, 0,1 – 0,022 = 0,078) получим дополнительную прибыль в размере: 0,078*1800000=140400$ США. Из расчета видно, что реализуя удобрения населению в объеме 20% от производимой продукции, окупаемость проекта составит не более 2-ух лет.

Дополнительную прибыль при реализации данного проекта и сокращению сроков окупаемости мы получим:

1. Тепло, получаемое при утилизации работы газогенератора, используется на собственные нужды биоустановки, а также порядка 10кВт эл.энергии, при таких данных мы имеем возможность использовать для внешних потребителей от 60 до 70 кВт часов эл.энергии.
Использование данного обстоятельства позволяет снизить срок окупаемости проекта как минимум на 3 месяца.

2. При использовании получаемых удобрений за счет прироста урожайности как минимум на 15%, а это делает достижимым окупаемость проекта в течении одного года (сезона).

3. Перерабатывая получаемые удобрения и выделяя твердую фракцию, для получения белково-кормовых добавок, снижаем срок окупаемости проекта до рекордно коротких сроков.
Как видно из предоставленных расчетов, внедрение БЭУ приносит значительный экономический эффект, что позволяет за счет сэкономленных средств от установки БЭУ повысить экономическое состояние и социальную сферу хозяйства, а также увеличить объем производства экологически чистой сельхозпродукции.