Разделы: Экология
Размещена 21.04.2016. Последняя правка: 02.06.2016.
Просмотров - 4134

Комбинированная переработка послеспиртовой зерновой барды с получением биогаза и ценного кормового продукта с высоким содержанием белка

Волохова Елена Александровна

Московский технологический университет (МИТХТ)

Студентка

Хабарова Елена Ивановна, кандидат химических наук, зав. кафедрой прикладной экологии и безопасности труда, Московский технологический университет (МИТХТ)

УДК 663.551.61

Введение. Крупнотоннажный отход спиртовых производств – послеспиртовая барда изначально являлась основной проблемой данной промышленности. На протяжении многих лет ее сливали в водоемы и на поля фильтрации вблизи заводов, что приводило к окислению почв и загрязнению водоемов.

Актуальность темы определяется необходимостью решения конкретной задачи, связанной с преодолением загрязнения окружающей среды под воздействием отходов спиртового производства и возможность использования их, как альтернативного источника энергии, в связи с глобальным энергетическим кризисом с помощью биогазовой установки (БГУ).

Биогазовая установка в настоящее время является характерным элементом современного, безотходного производства во многих областях сельского хозяйства и пищевой промышленности. При наличии органических отходов появляется реальная возможность с помощью биогазовой установки не только значительно сократить расходы на энергию, но и повысить эффективность предприятия, получить дополнительную прибыль.

Биогаз дает возможность использовать самые современные средства теплоэнергетики - газовые турбины, когда газ сгорает, приводя в движение турбину, которая вращает генератор, производящий электроэнергию,  направляемую в котел, для нагревания воды и получения пара, которые могут быть использованы или направлены для получения дополнительной энергии.

Производство электроэнергии из биогаза для собственных нужд значительно дешевле по сравнению с покупкой ее из сети, а в случае ее продажи можно воспользоваться выгодными тарифами для электроэнергии, произведенной из альтернативных источников энергии. Поскольку биогаз является сопроводительным продуктом при переработке органических отходов, затраты по эксплуатации установки будут связаны только с отчислениями на оборудование и на сервисное обслуживание. Доходы будут состоять из сэкономленных средств на тепло, электроэнергию, за счет продажи электричества в общую сеть и продажи удобрений, полученных анаэробным сбраживанием в БГУ.

Цель работы: рассмотреть и обозначить проблематику отходов спиртового производства, предложить пути решения с помощью БГУ.

Современная промышленная отрасль спирта России определяется высокой степенью автоматизации и масштабной производительностью. Получают спирт из зернового сырья (ячмень, рожь, овес и другие зерновые), картофеля, сахарной мелассы и других отходов сахарного производства, плодов ягод (в основном виноград). Сырьё, используемое при производстве спирта, составляет около 75 - 90 % всех составляющих для производства спирта, в связи с чем получается большое количество органических отходов. Основными отходами и побочными продуктами в спиртовой промышленности являются барда, углекислый газ брожения, дрожжи-сахаромицеты, а также побочные продукты в виде сивушного масла и ЭАФ. Побочные продукты в виде сивушных масел и ЭАФ имеют малую долю в общем количестве отходов спиртового производства, а также находят применение в различных отраслях промышленности, например, использование их как добавки к топливным композициям для двигателей с искровым зажиганием. Основной проблемой для всей спиртовой промышленности РФ  с недавних пор стало  федеральное постановление Приложение № 1 к приказу Федеральной службы по регулированию алкогольного рынка от 4 декабря 2012 г. № 365, «Порядок полной переработки барды (основного отхода спиртового производства)»,  ред. от 26.02.2015г. В связи с ее большим количеством и требованием полной переработки возникла необходимость разработки новых технологий и усовершенствования старых, позволяющих ограничить негативное воздействие на окружающую среду. [1]

Биогаз – продукт обмена веществ бактерий, образовывающихся в результате брожения биомассы, которая разлагается под действием трех разных видов бактерий (рис.1), цепочка питания которых заключается в поедании последующими бактериями отходов жизнедеятельности предыдущих, то есть, так называемый метабиоз.

 

Рис. 1. Виды бактерий, участвующих в образовании метана.

Биогаз считается достаточно рентабельной разновидностью топлива, об этом можно судить по некоторым данным. Например, 1 м³ биогаза можно приравнять по теплоте сгорания к 0,8 м³ природного газа, 0,6 кг бензина, 0,7 кг мазута, 1,5 кг дров (в полностью сухом состоянии). По статистике, объем органических отходов в России составляет около 770 млн. тонн биоотходов в год, соответственно, это позволяет получить около 66 млрд. м³ биогаза, или свыше 100 млрд. киловатт-часов электроэнергии. [2]

Биогазовая установка - это аппарат, позволяющий производить биоудобрения и биогаз из отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности путём бескислородного (анаэробного) брожения.  При производстве биогаза применяется большой спектр органических отходов, которые возможно даже смешивать для наибольшего выхода биогаза (табл. 1).

Биогазовая отрасль производит не один конечный продукт, а целый спектр дорогих и важных продуктов без негативного воздействия на окружающую среду:

• биогаз – возможно сжимать, накапливать, перекачивать излишки, продавать;
• тепло – от охлаждения генератора или от сжигания биогаза;
• электричество – из 1 м³ биогаза в среднем возможно выработать около 2 кВт электроэнергии;
• удобрения, получаемые в виде переброженной массы, являются экологически чистыми, жидкими удобрениями, лишенными нитритов, семян сорняков, болезнетворной микрофлоры, специфических запахов;
• утилизация органических отходов;
• решение экологических проблем – производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу, что в глобальном смысле помогает снижать парниковый эффект, уменьшить или полностью сократить применение химических удобрений, заменив их на экологически чистые, сократить нагрузку на грунтовые воды и почвы, в связи отсутствием необходимости распределения биоотходов на полях фильтрации. [4]

В настоящее время разработаны биогазовые установки с различными конструктивными и технологическими особенностями. С конструктивной точки зрения все виды БГУ схожи по своему строению, представляя из себя герметическую емкость (биореактор) для сбраживания органического субстрата, поданного из приемной емкости, и производства биогаза (рис.2).

 

Рис. 2. Принципиальная схема БГУ (1 – предприятие; 2 – приемный бункер; 3 – бункер загрузки исходного субстрата; 4 – входной патрубок; 5 – биореактор (реактор анаэробного сбраживания); 6 – система подогрева; 7 – патрубок слива готового удобрения; 8 – газгольдер; 9 – хранилище удобрения; 10 – газ потребителю).

Несмотря на довольно долгую историю использования биогаза в БГУ, основные составляющие установки остаются неизменными: биореактор (метантенк), газгольдер (емкости для аккумулирования биогаза), нагревательные устройства (теплообменник) и устройства для перемешивания субстрата. Литературный обзор позволил составить обобщенную классификацию наиболее используемых на практике видов биоректоров и их формы, устройств для перемешивания, нагревательных элементов и газгольдеров позволит понять и выбрать наиболее подходящие варианты для того или иного вида отходов, условий, средств и целей (рис. 3).

 

Рис. 3.  Перечень и классификация основных составляющих биореактора биогазовой установки.

Применение послеспиртовой барды нашло широкое распространение при производстве сухих кормовых дрожжей, которые пользуются высоким спросом. Однако, данная технология имеет массу отрицательных сторон, таких как высокие энергетические затраты на распылительные сушилки и большой объем жидкой фракции барды, который необходимо дополнительно очищать  до допустимого уровня ХПК и БПК и сброса в канализационные стоки. В связи с этим возникает необходимость модернизации переработки послеспиртовой барды, которая становится возможной при внедрении БГУ на предприятии по производству спирта.

Комплексная переработка послеспиртовой барды в БГУ требует особого подхода и выбора характеристик составляющих установки и режима ее работы. Предлагается следующий технологический процесс с разделением реакторов на гидролизный и на реактор анаэробного сбраживания, то есть двухступенчатый процесс сбраживания, так как послеспиртовая барда быстро расщепляется и склонна к окислению. Разделение позволяет контролировать кислотность барды в реакторе сбраживания и активной жизнедеятельности анаэробных бактерий, что по итогу увеличит выход биогаза, а так же повышается содержание белков в готовом кормовом продукте.

Поэтапно рассмотрим предлагаемую технологию комплексной переработки послеспиртовой барды с получением биогаза и высококачественного кормового продукта с высоким содержанием белка (рис. 4) [5].

 

Рис. 4. Технология комплексной переработки послеспиртовой барды.

На этапе дистилляции образуется послеспиртовая барда, ее собирают в специальной приемной емкости, куда предлагается добавлять с помощью фронтального погрузчика остатки первичной очистки зерна, что позволит увеличить выход биогаза, в связи с бо́льшим количеством содержания твердых веществ в субстрате (85-90% влажности субстрата). Последующим этапом является перекачка насосом этой массы в реактор гидролиза, где расположен автоматический уровень, предполгающий определенный объем загрузки субстрата, после достижения которого насос автоматически отключается.

Разделения процесса окисления в реакторе гидролиза и анаэробного сбраживания в ферментаторе (реакторе сбраживания) позволяет достичь наибольшего выхода биогаза.

В связи с тем, что при объединении процессов гидролизной и кислотообразующих фаз с анаэробным сбраживанием, из-за высокой скорости размножения в питательной среде гидролизных бактерий, когда метанобразующие бактерии образуются гораздо медленнее, возможен срыв процесса. Это будет обусловлено тем, что гидролизные бактерии, получая большое количество питательных веществ, вырабатывают такой объем жирных кислот, который анаэробные (метанобразующие) бактерии не успевают переработать из-за более медленной скорости, что приводит к  перекислению в ферментаторе, падению pH и в итоге к срыву всего процесса. По этой причине реактор гидролиза находится обособленно от реактора-метанообразователя. В реактор гидролиза субстрат поступает 1-2 раза в сутки при рН 4,5-6,5, в нем происходит образование органических жирных кислот в период около одного дня. Сами окисляющие бактерии достаточно выносливые, богатые энергией и, соответственно, активно размножаются, что делает процесс очень быстрым. Дополнительный обогрев данного этапа не требуется, так как температуры поступившей послеспиртовой барды вполне достаточно для соблюдения термофильного режима для кислотообразования.

Далее окисленная масса насосной станцией направляется в реактор сбраживания для метаногенеза, который происходит под воздействием метанобразующих бактерий и разлагает полученную на этапе гидролиза уксусную кислоту на метан, углекислый газ и воду. Для достижения максимального эффекта требуется соблюдать уровень рН=7 и соблюдение мезофильного режима брожения  с температурой до 40 С, который достигается путем обогрева реактора трубчатыми теплообменниками, расположенными внутри реактора, наполняемыми свежей послеспиртовой бардой с температурой до 90 С. В зимний период реактор нуждается в дополнительном обогреве, в связи с потерями тепла в окружающую среду, что возможно осуществить за счет тепла, полученного на последующем этапе переработки биогаза в КГУ в тепло и электроэнергию. В реакторе сбраживания находятся механические погружные мешалки, которые 2 раза в сутки приводятся в действие, чтобы разрушить плавающую корку на поверхности сбраживаемого субстрата и достигнуть равномерного распределения температуры и кислотности, что положительно сказывается на выходе биогаза.

Биогаз, поступающий через специальный патрубок, собирается в сухом газгольдере низкого давления, который расположен над реактором сбраживания. Газгольдер представляет собой куполообразную конструкцию из эластичного высокопрочного материала, который натянут на бетонной плите, находящейся поверх реактора сбраживания. Материал позволяет куполу растягиваться без уменьшения прочности, за счет чего значительно увеличивается объем собираемого биогаза. В случае переполнения газгольдера имеется предохранительный клапан, позволяющий предотвратить разрыв купола и утечку биогаза, который может взорваться или возгореться при контакте с воздухом. С учетом этого фактора необходимо применять автоматические системы управления и защиты технологического процесса (СУЗ), что позволит не только установить оптимальный режим работы все БГУ поэтапно, но и обеспечит остановку процесса в случае утечки биогаза.

Следующим этапом является направление биогаза в когенерационную установку (КГУ), где происходит выработка электроэнергии  генератором, газопоршневые двигатели которого приводятся в движение полученным биогазом. Электроэнергия, полученная на этом этапе, направляется на работу самой БГУ, остатки могут быть направлены для нужд предприятия в целом и на другие его технологические процессы, что позволит экономить на общем потреблении электроэнергии. Тепловая энергия образуется за счет охлаждения  когенераторов жидкостью, чаще всего водой, она по итогу может применятся для дополнительного реактора сбраживания в зимний период или как источник тепла непосредственно при производстве спирта. Излишки возможно использовать также на собственные нужды предприятия, либо продавать данную энергию, как более дешевый вид топлива, чем природный газ, например.

В реакторе сбраживания образуется большой объем шлама, который за счет сбраживания имеет большое количество питательных веществ, увеличившийся в среднем на 15% , чем в первоначальной послеспиртвой барде, компонентный состав которой представлен в таблице 4.2. Причем, за счет высоких температур обеспечивается полное обеззараживание послеспиртовой барды от болезнетворных микроорганизмов и бактерий. Из реактора сбраживания через специальный люк выгрузки перебродившая послеспиртовая барда выгружается в хранилище, откуда уже направляется в сепаратор для разделения фаз. Небольшая часть жидкой фракции после сепарации может быть направлена в свежий субстрат в реактор гидролиза для повышения выхода биогаза за счет высокого содержания питательных веществ. В барде, которая прошла реактор гидролиза и реактор дображивания, снижается содержание ХПК от 40 000 млг/л до 4 000 млг/л и БПК от 14 000 млг/л до 1 400 млг/л. Установка дополнительной ступени фильтрации (капельные фильтры) полностью способна решить проблему очистки сброженной барды, так как ХПК снижается до 70 млг/л, а БПК до 30 млг/л, что делает возможным использовать ее в при производстве спирта в виде технологической воды, например, для промыва теплообменников или охлаждения оборудования. [5]

Таблица 2. Компонентный состав свежей послеспиртовой барды.

Компонент	Показатель
Сухие вещества, г/л	62,5 – 74,0
Из них взвешенные вещества, г/л	28,5 – 31,5
Растворенные азотсодержащие, г/л	4,6 – 6,8
Растворенные безазотистые, г/л	28,0 – 32,0
Жиры в жидкой фазе, г/л	0,4 – 0,6
Минеральные соли растворенные, г/л	2,4 – 4,2
рН	4,54 – 4,72

 Твердую фазу, с высоким содержанием белка и других питательных веществ направляют на прессование, получая особо ценный кормовой продукт с высоким содержанием белка. Сравнительная характеристика сухого кормового продукта, получаемого путем осушки и с помощью анаэробного сбраживания представлена в таблице 3.

Для оправдания данного выбора переработки послеспиртовой барды предлагается провести экономический расчет [6], который выявит основные исходные затраты и даст понять насколько окупаема и выгодна такого рода технология. Объектом для предлагаемой технологии выбрали филиал ОАО «Татспиртпром» Мамадышский спиртзавод, Республика Татарстан с учетом его производственных данных (табл. 4).
Таблица 4. Исходные данные

 

Для пересчета стоимости используем актуальный курс на 1.04.2016 год 1 евро = 76,92 рубля.

1)    Ориентировочная стоимость БГУ:

С_БГУ = С_док.. + С_пр.з. + С_об. + С_стр.

Стоимость представленных составляющих (стоимость подготовки проектной документации, стоимость на прочие затраты (монтаж установки, обучение персонала, авторский надзор),  стоимость комплекта оборудования БГУ, стоимость строительных и установочных работ) для расчета общей ориентировочной стоимости БГУ взяты в усредненном значении с учетом нескольких ценовых категорий от различных представителей данной отрасли.

С_БГУ = (52000 + 30000 + 710000 + 540000) · 76, 92 = 102 458 372, 4 рублей.

2)    Расчет возможного выхода биогаза и кормового ценного белкового продукта при переработке послеспиртовой зерновой барды в БГУ.

По данным таблицы 1.3 имеем, что выход биогаза из послеспиртовой зерновой барды составляет от 70 до 90 м³ на тонну сырья. Примем среднее значение выхода биогаза равное 80 м³. Если говорить о выходе биогаза из 1 м³ послеспиртовой зерновой барды, то он составит около 55 м³.  На Мамадышском спиртовом заводе в среднем образуется около 360 м³ послеспиртовой барды в сутки. Работа установки производится 350 дней в году.

Объем получаемого биогаза в сутки: V_биогаз^сут. = 360 · 55 = 19 800 м³/сут.

Объем получаемого биогаза в год: V_биогаз^год = 19 800 · 350 = 6 930 000 м³/год (учитывая прерывание работы установки для ее очистки или ремонта, но не учитывая сезонное снижение производительности спиртзавода).

Расчет количества кормовых высокобелковых добавок, получаемых при производстве биогаза в сутки:

V_корм.^сут. = М_корм.^сут /1,27, (1,27 - переводной коэффициент, учитывающий плотность барды после отбора биогаза, брожения и сепаратора).

Масса кормовых высокобелковых добавок, получаемых при производстве биогаза в сутки: М_корм.^сут. = М_барда^сут. – М_биогаз^сут. .

Масса барды, производимая за сутки: М_барда^сут. = V_барда^сут. ·1,25, (1,25 -

переводной коэффициент, учитывающий плотность свежей барды поступающей на переработку).

М_барда^сут. = 360 · 1,25 = 450 тонн/сутки.

Масса биогаза, производимого в сутки: М_биогаз^сут. = V_биогаз^сут. · 0,554, (0,554 – переводной коэффициент, учитывающий плотность образованного биогаза).

М_биогаз^сут. = 19 800 · 0,554 = 10 969, 2 кг/сут = 10,97 тонн/сут.

М_корм.^сут. = 450 - 10,97 = 439, 03 тонн;

V_корм. ^сут. = 439, 03 / 1,27 = 345, 7 м³/сут.

Так как для полного сбраживания послеспиртовой зерновой барды в реакторе брожения требуется около 30 дней, то следует учесть это при расчете годового объема кормового высокобелкового продукта:

V_корм.^год = 345, 7 · (350/30) = 4 033, 17 м³/год = 5 122, 12 тонн/год.

3)    Расчет энергетических затрат на обслуживание биогазовой установки.

Расчет годовой потребляемой электроэнергии: Q_эл.^год = N_эл · 24 · 350;

Q_эл.^год = 60 · 24 · 350 = 504 000 кВт·ч/год.

Расчет годовой потребляемой тепловой энергии: Q_тепл.^год = N_тепл. · 24 · 350;

Q_тепл.^год = 250 · 24 · 350 = 2 100 000 кВт·ч/год.

4)    Расчет возможного получения электроэнергии и тепловой энергии при использовании биогаза, перерабатываемого в энергию в когенерационной установке.

Расчет количества получаемой электроэнергии (за год):

N_эл.^год = N_эл^обр. · V_биогаз^год;м

N_эл.^год = 2,3 · 6 930 000 = 15 939 000 кВт·ч/год = 15939 МВт·ч/год.

Расчет количества получаемой тепловой энергии (за год):

N_тепл.^год = N_тепл.^обр. · V_биогаз^год  = 2,8 · 6 930 000 = 19 404 000 кВт·ч/год = 19404 МВт·ч/год = 16 683, 56 Гкал/год.

5)    Расчет количества электроэнергии и тепловой энергии, получаемой из биогаза, с учетом затрат на собственные нужды биогазовой установки.

Расчет количества получаемой электроэнергии (за год): N ⁺_эл. = N_эл.^год  -  Q_эл.^год;

N ⁺_эл. = 15 939 000  - 504 000 = 15 435 000 кВт·ч.

 

Расчет количества получаемой тепловой энергии (за год):

 

N ⁺_тепл. = N_тепл.^год  -  Q_тепл.^год  = 19 404 000 - 2 100 000 = 17 304 000 кВт·ч/год = 14 877, 98 Гкал/год.

6)    Расчет экономического эффекта переработки биогаза в электроэнергию и тепловую энергию.

Расчет экономического эффекта от получения электроэнергии (год):

Э_эл. = N ⁺_эл. · Ц _э.э. = 15 435 000 · 3, 68 = 56 800 800 руб/год.

Э_тепл.= N ⁺_тепл. · Ц_тепл. = 14 877, 98  · 1544,73 = 22 982 462 руб/год.

Суммарный экономический эффект от получения электроэнергии и тепловой энергии:

Э_общ =  Э_эл. +Э_тепл. = 56 800 800 + 22 982 462 = 79 783 262 рублей в год.
Подводя итог данного расчета, наглядно видно, что капзатраты ( более 100 млн. рублей) достаточно велики, однако, если учесть, что БГУ будет работать минимум 350 дней в году, то экономическая прибыль только от полученных электроэнергии и тепла составит около 80 млн. рублей. Дополнительную прибыль принесет продажа высокобелкового кормового продукта. Отсюда наглядно видно, что установка окупается в течение 1 – 1,5 года, а после выходит на дополнительную прибыль предприятием в целом, снижая затраты на электроэнергию и тепло, на сырье, возможно частичное повышение заработной платы. Не стоит забывать, что этот способ позволяет максимально снизить негативное воздействие на окружающую среду, так как полностью исключаются сбросы послеспиртовой барды в водоемы и распределение ее на полях фильтрации (загрязнение почв, разрушение озонового слоя и др.), а применение биогаза в качестве альтернативного источника энергии дает возможность сократить использование традиционных источников энергии и, соответственно, расходы на них. Существуют и отрицательные характеристики данного способа переработки главного отхода спиртового производства: высокие капитальные вложения в БГУ, достаточно большие площади, занимаемые установками и долгий выход на режим до полугода. Однако, возможность полной переработки послеспиртовой барды и получение альтернативного энергоносителя в виде биогаза, позволяют встать на путь решения двух глобальных проблем в рамках спиртовой промышленности – загрязнения окружающей среды и энергетического кризиса.

1. Галицкий С.В. Проблемы развитие спиртовой промышленности // Студенческие научные исследования. – 2014. – № 9. – [Электронный ресурс]. - URL: http://student.snauka.ru/2014/11/229 - (дата обращения - 25.01.2016);
2. Биогаз: высокорентабельное и дешевое топливо для всех регионов России / Е.С. Панцхава, М.М. Шипилов, А.П. Пауков, Н.Д. Ковалев // Биоэнергетика. – 2007. – № 3. – 42-57 с.;
3. Биогаз: состояние технологий, перспективы развития в России : метод. пособие / Скороходов В. А., 2015. - 76 с.;
4. НПК Трансгаз-Холдинг. Биогазовая установка на биоотходах. – [Электронный ресурс]. – URL: http://transgaz-holding.ru/biogazovaya_ustanovka_na. - (дата обращения - 1.04.2016);
5. Комбинированная переработка послеспиртовой зерновой барды с получением биогаза и ценного кормового продукта с высоким содержанием белка. - Магистерская диссертация. - Волохова Е.А. - Московский технологический университет (МИТХТ). - 2016. - 78 с.;
6. Разработка методики выбора технологий переработки отходов спиртовой промышленности, как инструмента экологического менеджмента / Р.Я. Дыганова, Ю.С. Беляева // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 16, №4(2), 2014. – 1728-1736 с.;
7. Народная служба тарифов. – [Электронный ресурс]. – URL: http://newtariffs.ru. – (дата обращения - 1.04.2016).

Рецензии:

1.06.2016, 17:11 Мирмович-Тихомиров Эдуард Григорьевич
Рецензия: Статья является одной из глав или укороченным вариантом магистерской диссертации Елены Александровны. Работ сложная и комплексная с пересечением проблем в области продовольственной, энергетической, экологической, экономической и технологической эффективности и безопасности. Однако наличие большого числа ошибок не может позволить рецензенту рекомендовать её в печати в таком виде. Некоторые примеры: "рассмотрезть и обозначить проблематику (грамм); Рис. 4. Технологий комплексной переработки (грамм); 10 – газ потребетилю) (грамм); прировнять по теплоте (грамм); Расчет количества получаемой тепловой энергии (за года) (грамм): переводной коэффициент учитывающий плотность (синтакс); Делая итог данного расчета наглядно видно (синтакс); использования их, как альтернативного источника энергии, в связи (синтакс)". И др. После устранения ошибок и редактирования научным руководителем, которая, по-видимому, не прочитала этот текст, статья может претендовать на публикацию при наличии рецензии второго рецензента, обладающего компетенциями в этой области.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий