Основные сведения. Развитие систем газоснабжения осуществляется по следующим основным направлениям, связанных с расширением источников и объемов поставок природного газа
Развитие систем газоснабжения осуществляется по следующим основным направлениям, связанных с расширением источников и объемов поставок природного газа, повышением эффективности его использования, снижением экологических рисков:
- сетевое (трубопроводное) газоснабжение природным газом;
- технологии малотоннажного производства и распределение сжиженного природного газа (СПГ);
- компримированный природный газ (КПГ);
- сжиженный углеводородный газ (СУГ);
- метан из угольных пластов и газ подземной газификации углей (ПГУ);
- сланцевый газ;
- биогаз;
- газовые гидраты.
Одним из перспективных направлений в развитии систем газоснабжения является производство альтернативного источника энергии – биогаза.
Биогаз - это газообразный источник энергии, получаемый в результате анаэробной ферментации органических веществ различного происхождения и состава. Биогаз в основном состоит из метана (СН4) и углекислого газа (СО2), а так же содержит незначительное количество других газов: сероводород (H2S), азот (N2), водород (H2)()их газов.ислого газа и 1-2% двном состоит из метана ргию явлшяется плучение биогаза.. Соотношение содержания СН4 и СО2 зависит от состава исходного субстрата и условий процесса брожения. Теплотворная способность 1 м3 биогаза составляет 20-25 МДж/м3, что эквивалентно энергии 0,6 м3 природного газа, 0,74 т. нефти или 1,3-1,7 т. дров. Состав и основные свойства биогаза представлены в таблице 1 .
Таблица 1
Состав и основные свойства биогаза
Показатели | Компоненты | Биогаз | |||
CH4 | CO2 | H2 | H2S | ||
Объемная доля, % | 55-70 | 27-44 | |||
Теплота сгорания, МДж/м3 | 35,8 | - | 10,8 | 22,8 | 21,5 |
Пределы воспламенения при содержании с воздухом, % | 5-15 | - | 4-80 | 4-445 | 6-12 |
Температура, оС: воспламенения критическая | 650-750 -82,5 | - 31,0 | - | - | 650-750 12,5 |
Критическое давление, МПа | 4,7 | 7,5 | 1,3 | 8,9 | 7,5-8,9 |
Плотность г/л | 0,72 | 1,98 | 0,09 | 1,54 | 1,2 |
Количество биогаза, образующегося при анаэробной ферментации зависит, главным образом, от состава исходного субстрата. Органические отходы различного происхождения состоят из воды и сухих веществ, при этом сухое вещество включает органическую и неорганическую составляющие части (рис.1.1).
Рис. 1.1. Состав органических отходов
Неорганическая часть субстрата (зола) содержит в своем составе землю, песок, камни, металлические и другие включения, которые являются балластом исходного материала и приводят к неисправностям технологического оборудования.
Органическое вещество состоит из жиров, протеинов и углеводов.
Наибольшее количество биогаза выделяется из жиров - 1250 л из килограмма органического сухого вещества (ОСВ). Белки и углеводы дают всего лишь 700 л/кг ОСВ и 790 л/кг ОСВ соответственно. Максимальное содержание метана в составе биогаза выделяется также из жиров – 850 л/кг ОСВ или 68% от общего количества биогаза. Из белков можно получить 490 л/кг ОСВ или 71%, в то время как углеводы дают только 395 л/кг ОСВ или 50% метана в газе (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Влияние состава субстрата на выход биогаза и метана.
Таким образом, выход биогаза зависит от содержания в исходном субстрате жиров, белков и углеводов. Анализ работ отечественных зарубежных исследователей [ ] позволяет сделать вывод о том, что нет единого показателя выхода биогаза. Средние данные по выходу биогаза из различных видов субстратов представлены на рис.1.3.
Рис. 1.3. Выход биогаза из различных видов субстратов.
1 – твердый навоз КРС; 2 – жидкий навоз КРС; 3 – солома; 4 – содержание желудка свиней; 5 – куриный помет; 6 – жидкий свиной навоз; 7 – листья; 8 – содержание желудка жвачных; 9 – ботва свеклы; 10 – бытовые отходы; 11 – кукурузный силос; 12 – травяной силос; 13 – пивная барда; 14 – жир.
Процесс получения биогаза это биологическое разложение сложных органических соединений, происходящее в течение нескольких фаз, в результате воздействия различных групп бактерий. Во время процесса постоянно образуются и разлагаются различные промежуточные продукты.
Согласно современным представлениям считается, что преобразование любого сложного органического вещества в биогаз проходит через четыре основные последовательные стадии [ ], однако имеются работы [ ], в которых рассматривается 5 стадий получения биогаза, при этом кроме гидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза добавлена стадия дезинтеграции (рис.1.4).
Рисунок 1.4. Схема анаэробного брожения.
1.Дезинтеграция – сложные клеточные образования распадаются на отдельные биополимеры: углеводы, белки, жиры и др.
2.Гидролиз – разложение сложных биополимеров на более простые мономеры: аминокислоты, сахара, жирные кислоты.
3.Ацидогенез – ферментативное разложение образовавшихся мономеров до более простых веществ: органические кислоты, спирты, альдегиды, углекислота.
4.Ацетогенез – образование уксусной кислоты, водорода и углекислоты.
5.Метаногенез – окончательное бактериальное преобразование органических веществ в метан.
На стадиидезинтеграции сложные клеточные образования распадаются на отдельные биополимеры: углеводы (30%), белки (30%), жиры (30%) и другие инертные газы (10%).
На этой стадии гидролиза комплекс высокомолекулярных органических веществ, включающих углеводы, белки и жиры подвергается ферментативной деградации с образованием аминокислот, моносахаридов и жирных кислот:
(1.1)
Общая скорость гидролиза зависит от состава органических веществ и условий процесса - концентрации субстрата, площади контакта ферментов, температуры и кислотности среды.
Гидролиз зачастую является лимитирующим этапом процесса, так как последующие стадии анаэробного брожения не могут начаться, пока твердые нерастворимые вещества не перейдут в более простые мономеры, используемые микроорганизмами.
На стадии ацидогенеза образовавшиеся мономеры под действием кислотогенных бактерий превращаются в органические кислоты, спирты, альдегиды, аммиак, сероводород и диоксид углерода:
(1.2)
Ацидогенез обычно не лимитирует последующие стадии брожения, поскольку кислотегенные бактерии неприхотливы и растут с высокой скоростью. Но необходимо отметить, что быстро протекающая ацидогенная стадия может привести к накоплению длинно- и короткоцепочечных жирных кислот, т.е. повышению кислотности, что является причиной прекращения роста бактерий последующих стадий.
Ацетогенез осуществляется двумя группами ацетогенных бактерий. Первая группа образует ацетат с выделением водорода из растворимых продуктов предшествующей стадии.
, (1.3)
.(1.4)
Вторая группа ацетогенных бактерий приводит к образованию уксусной кислоты путем использования водорода для восстановления СО2:
. (1.5)
На стадии метагенеза метаногенные бактерии образуют метан двумя основными способами – расщеплением ацетата и восстановлением диоксида углерода водородом. При этом первым способом образуется 64 % метана, вторым 26%:
; (1.6)
. (1.7)
Некоторые метаногены конвертируют в метан также формиат, метанол и метиламин:
(1.8)
; (1.9)
4CH3NH2 + 2Н2О→ЗСН4 + CO2 + 4NH3. (1.10)
Известно более 30 видов метаногенов, но в процессе анаэробного брожения участвуют 5 основных групп: Methanobacterium, Methanococcus, Methanospirillum, Methanotrix и Methanosarcina [1]. Метанообразующие бактерии к условиям своего существования предъявляют более высокие требования по сравнению с другими видами, так как они нуждаются в абсолютно анаэробной среде и требуют более длительного времени для воспроизводства.
Дата добавления: 2015-01-13; просмотров: 1360;