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无线电电子与电气工程百科全书 生物能量学。 现状与前景。 无线电电子电气工程百科全书
1973 年能源危机和 1986 年切尔诺贝利灾难等冲击迫使大多数国家重新考虑其有关可再生能源 (RES) 使用速度和前景的能源政策。 很明显，当邻国继续建设和运营可靠性类似于切尔诺贝利核电站四号机组的核设施时，仅在自己的国家发展清洁能源是不够的。 非传统能源开发领域需要联合各国科学家的努力。 传统能源发展的负面趋势主要源于两个因素——自然资源的快速枯竭和环境污染。 据联合国预测，煤炭储量预计将在 2082 年至 2500 年耗尽。 有前途的传统能源技术提高了能源利用效率，但并没有改善环境状况：环境的热、化学和放射性污染可能导致灾难性后果 在这方面，一方面需要寻找合理利用传统能源的机会，另一方面需要开展非传统能源和可再生能源利用的科技工作。 地球上的所有能源最终都是太阳活动的产物。 几乎所有的非传统能源都是通过直接和间接方法对太阳能进行转换和利用。 使用太阳能的直接方法基于将太阳辐射转化为电能或热能。 间接方法基于动能和势能的使用，动能和势能是太阳辐射与地圈相互作用的结果。 最大的能源潜力是风能、河流、海潮和波浪能、生物质能 一些国家制定了非传统能源开发国家计划，在政府机构和私营企业的倡议下开展工作，并以低利率发放贷款。 表 1992 列出了 1 年欧盟国家使用可再生能源的能源生产情况。 乌克兰传统能源发展的不利因素尤为突出，且因能源综合体发展的不平衡而加剧，因此可再生能源的利用显得尤为重要。 发展这一能源领域的必要性和可能性是由于以下原因：
表 1. 1992 年使用 RES 的能源生产在 EEC 国家
乌克兰可再生能源资源丰富，其有效利用可以在能源领域占据非常重要的份额。 因此，当使用合理数量的可再生能源以及用其替代石油产品的可能性时，该能源占该国每年消耗的石油产品总量的百分比（每年300亿吨参考燃料）沼气的比例为 0,2%。 运行电厂的位置和运行特征如表2所示。 表 2. 乌克兰的基本设施
生物质是一种高效的可再生能源。 几乎所有地区都有各种形式的生物质资源，并且几乎每个地区都可以将其加工成能源和燃料。 目前水平，生物质能满足工业化国家总能源需求的6-10%。 地球上每年通过光合作用形成约120亿吨干燥有机物，其能量相当于超过400亿吨石油。 生物质的利用涉及以下领域：直接燃烧、气化、生产汽车燃料乙醇、利用农业和家庭废物生产沼气。 生物质主要以木材燃料的形式存在，是约 2 亿人的主要能源。 对于生活在“第三世界”农村地区的大多数人来说，它代表了唯一可用的能源。 生物质作为一种能源，在发达国家也发挥着重要作用。 一般来说，生物质提供了世界燃料的七分之一，就获得的能量而言，它与天然气并列第三。 生物质产生的能量是核能的 4 倍。 在欧盟国家，1992年生物质能源约占可再生能源总产量的55%。 生物质能源利用效率最高的国家是葡萄牙、法国、德国、丹麦、意大利和西班牙。 T986年，欧盟委员会决定资助153个生物质和废物利用项目。 融资金额达70,6万ECU。 欧盟理事会启动了非核能源领域新的为期四年的研究计划。 两年拨款4万美元用于生物质利用研究。 美国。 2年欧洲的生物质资源为：木材燃料 - 12、木材废料 - 2000、农业废料 - 75、城市废料 - 70万吨。 此外，能源种植园种植的生物质每年将提供250亿吨。 鉴于需要大幅减少车辆对环境的有害影响，人们注意到该领域生物质的使用。 这里概述了用环保燃料替代对环境有害的汽油的一些方向。 巴西制定了一项使用乙醇作为替代燃料的计划，可替代高达 22%（按体积计算）的汽油。 乙醇是通过加工特殊种植的甘蔗而获得的。 超过 7% 的汽油含有 10% 的乙醇添加剂，该国 80% 的车队使用这种添加剂。 美国还正在实施一项大型计划，用乙醇替代汽油燃料，乙醇是通过加工剩余的玉米和其他谷物作物生产的。 使用酒精作为燃料也得到了一些欧洲国家的支持，特别是法国和瑞典。 在乌克兰，用酒精替代汽油的问题还没有被考虑。 目前正在研究在受放射性元素污染的地区种植油菜籽的可能性，以获得油菜籽油并将其用作柴油发动机的燃料。 来自乌克兰和德国的专家目前正在开发这个想法。 在非传统能源中，占有特殊地位的是通过甲烷发酵处理生物质（有机农业和生活垃圾），生产含甲烷约70%的沼气和消毒有机肥料。 生物质在农业中的利用极其重要，各种技术需要消耗大量燃料，并且对优质肥料的需求不断增长。 目前世界上正在使用或开发的沼气技术总共约有60种。 沼气是甲烷和二氧化碳的混合物，在特殊反应器（消化器）中形成，其设计和控制方式可确保最大限度地释放甲烷。 燃烧沼气所获得的能量可达原料能量的60%至90%。 然而，沼气是从含有 95% 水的液体中获得的，因此在实践中产量很难确定。 生物质加工过程的另一个非常重要的优点是，其废物中含有的病原体比源材料少得多。 沼气的生产在经济上是合理的，并且在处理源源不断的废物流（畜牧场、屠宰场的废水、蔬菜废物等）时更可取。 成本效益在于，无需预先收集废物、组织和管理其供应； 同时，也知道将收到多少废物以及何时收到。 沼气的生产可以在各种规模的装置中进行，在农业工业综合体中尤其有效，因为那里有可能形成完整的生态循环。 沼气用于照明、取暖、烹饪、驱动机械、运输和发电机。 在厌氧消化中，有机物在没有氧气的情况下分解。 这个过程包括两个阶段（图1）。 在第一阶段，复杂的有机聚合物（纤维、蛋白质、脂肪等）在各种厌氧细菌自然群落的影响下分解成更简单的化合物：挥发性脂肪酸、低级醇、氢气和一氧化碳、乙酸和甲酸、甲醇。 在第二步中，产甲烷细菌将有机酸转化为甲烷、二氧化碳和水。
图1 有机物消解方案 初级厌氧菌以各种生理菌群为代表：破坏细胞、碳发酵（如丁酸菌）、氨化（分解蛋白质、肽、氨基酸）菌、分解脂肪等。由于这种组成，初级厌氧菌可以利用多种植物和动物来源的有机化合物，这是甲烷界最重要的特征之一。 这些细菌群之间的紧密联系确保了过程的足够稳定性。 甲烷发酵发生在中等（嗜温）和高温（嗜热）温度下。 通过高温甲烷发酵可实现最高生产率。 甲烷联合体的特殊性使得发酵过程的连续化成为可能。 对于厌氧消化过程的正常过程，需要反应器内的最佳条件：温度、厌氧条件、足够浓度的营养物质、可接受的pH值范围、不含或低浓度的有毒物质。 温度极大地影响有机材料的厌氧消化。 最佳发酵温度为 30-40°C（嗜温细菌菌群发育），以及 50-60°C（嗜热细菌菌群发育）。 中温或高温操作模式的选择基于对气候条件的分析。 如果需要大量的能源成本来提供高温温度，那么反应器在中温温度下的运行将更加有效。 除温度条件外，甲烷发酵过程和产生的沼气量还受到废物处理时间的影响。 反应器运行时需要监测pH值，最佳值在6,7-7,6范围内。 该指标通过添加石灰来调节。 反应器正常运行时，产生的沼气含有60-70%的甲烷、30-40%的二氧化碳、少量的硫化氢，以及氢气、氨和氮氧化物等杂质。 最高效的反应器在 43-52°C 的高温模式下运行。 当粪便处理持续 3 天时，此类工厂的沼气产量为每升反应器可用体积 4,5 升。 为了强化粪便厌氧消化和释放沼气的过程，在初始物料中添加有机催化剂，改变发酵物料中碳氮的比例（最佳比例C / N = 20/1 - 30/1 ）。 葡萄糖和纤维素用作此类催化剂。 各种废物中按干重计的近似氮含量和碳氮含量之比列于表3。 表3 各类废弃物中氮含量及C/N比
发酵过程中获得的沼气热值为5340-6230大卡/立方米（3+6,21千瓦时/立方米）。 必须在发酵室中进行剧烈混合，以防止在层的上部形成漂浮物质。 这大大加快了发酵过程和沼气产量。 在不搅拌的情况下，为了获得相同的生产率，必须显着增加反应器的体积。 因此，结果是高成本和安装成本的增加。 进行混合：
沼气生产过程中产生的残渣含有大量营养物质，可用作肥料。 动物粪便厌氧处理所得残渣的成分取决于装入反应器的原料的化学成分。 在有利于厌氧消化的条件下，约 70% 的有机物通常被分解，30% 残留在残渣中。 厌氧消化的主要优点是原料中几乎所有的氮都以有机或铵的形式保留。 从卫生和环境保护的角度来看，厌氧消化方法最适合动物粪便的处理，因为它可以最大程度地净化残留物并消除病原微生物。 厌氧处理后的液相粪便通常可以满足环保部门对废水水质的要求。 用过的液体有机物质通过卸料室进入发酵物质罐，并从那里被泵入罐中，借助该罐将普通粪便物质施用于田间。 在厌氧处理的最佳条件下，可以从各种农业废物、残留物和混合物中分离出的沼气量取决于底物量、工艺条件、反应器中的细菌组成等。一些数据如表4所示。 表 4 农业废弃物甲烷消化过程中甲烷（沼气）的产出
为了提高生产率，混合了不同的废物（表 5）。 表 5. 混合不同废物时沼气产量的增加
据测算，居民楼每45平方米居住面积每年需沼气供暖约2平方米，1头牛日取暖用水量为2-100平方米。 干燥含水量为5%的干草（6吨）时消耗沼气为2平方米，干燥1吨谷物为40千瓦，消耗100平方米。 小时电量 - 2 + 1 m15。 在乌克兰，仅大型养猪和家禽企业每年就会产生超过3万吨干物质有机废物，对这些废物进行处理可以获得约1万吨立方米。 吨以沼气形式产生，相当于8亿千瓦。 h 电。 此外，乌克兰还有约2万个非气化家庭农庄。 没有天然气供应的国家（例如中国）的经验表明，建议利用小型生物装置对家庭农场的有机废物进行气化，以气化偏远农村地区。 因此，在乌克兰引进2万个装置将使每年获得约2亿平方米的沼气成为可能。 相当于2亿千瓦时。 h能源，每年将为家庭庄园提供13万吨有机肥料。 根据1990年的数据，乌克兰集体农场、国营农场和其他农场的生猪年均保有量近20万头； 对于牛来说，这一数字超过了25万头，对于绵羊和山羊来说，分别约为9万头，对于鸟类来说，这一数字约为85万头。 每年此类牲畜产生的粪便和粪便量：猪 - 45 万吨，牛 - 超过 290 亿吨，绵羊和山羊 - 6 万吨，家禽 - 近 4 万吨。 建设沼气厂的经验表明，其设计和技术特点是由多种因素决定的，首先是原材料、其特性和前期加工。 世界上许多国家都建立、测试并成功运营了将粪便加工成沼气的小型农场和大型工厂。 在德国，有 60 座新的沼气厂用于利用动物粪便生产沼气。 将干渣含量为5%~15%的废弃物发酵，可得到热值5,6~6,7kWh/m2的沼气。 沼气密度 - 1,22 g/m2。 其在空气中的爆炸浓度为19%～25%。 自身需要的能源消耗占所产生的沼气的20%至30%。 投资回收期为4,2年。 Caterpillar 生产配备火花点火发动机的自主 ES（动力系统），能够使用垃圾填埋场废物分解产生的沼气。 两座此类 360 kW 发电厂中的第一座已在挪威安装。 ES是完全自动化的；开关设备能够使ES的运行与当地电网同步。 天然气由 36 口 14m 深的井供应，渗透到已有 300 年历史的废弃层中。 这确保沼气消耗量为 3 立方米/小时。 沼气中甲烷含量为48-57%。 在英格兰东南部，两座沼气发电厂为天然气加工厂提供了 1000 千瓦的总发电量，其中仅 360 千瓦用于工厂的需求，其余 650 千瓦并入国家电网。 Blue Cirkle 公司（英国）计划利用英格兰南部 7,5 个垃圾填埋场产生的沼气生产 3 兆瓦电力。 在西欧国家，已经建立了流式沼气厂的系列化生产。 一个这样的工厂处理 10 只蛋鸡的鸟粪，平均每天生产 100 立方米沼气（3% 甲烷），当发酵渣用作有机肥料时，60 年即可收回成本。 在瑞士，一座平均每天处理能力为 100 立方米的沼气厂将 3 头牛的粪便处理到一个 30 立方米的埋地污水坑中。 容量为80立方米的圆柱形罐，覆盖有聚合物薄膜，用于粪便发酵和沼气储存。 沼气用于在热水厂中发电。 那里还运营着一座沼气厂，所有装置都位于养猪场的正下方。 沼气储存在罐中并用于加热系统。 夏季放牧牲畜的沼气厂的生产力是冬季的一半。 同时，约三分之一的沼气用于自身技术需要，其余用于加热水和农场供暖。 1立方米沼气相当于3升燃油。 沼气具有较高的抗爆性能，可以作为强制点火内燃机和柴油机的优良燃料，无需进行额外的转换（只需调整动力系统）。 对比试验表明，额定功率下柴油的单耗为220克/千瓦时，沼气的单耗为0,4立方米/千瓦时。 这需要大约 3 克/千瓦时 (m.b. - 300 克) 的起始燃料（用作沼气“燃料”的柴油）。 结果，柴油节省量达 300%。 在 86% 发动机负载和发动机转速 40 rpm（瑞士拖拉机平均负载）下，柴油消耗量为 1400 g/kWh，沼气消耗量为 250 g/kWh，再加上沼气消耗量 80, 9,6 m3/kWh，相当于节省近 70% 的柴油。 在维帕赫德尔豪森（德国），一座通用型沼气厂投入运营，设计用于泥浆发酵以及牛、猪和鸡粪的处理。 沼气反应器在35°C的温度和2,0-5,0 kPa的压力下以连续和间歇模式运行。 在乌克兰的扎波罗热KTISM，开发了一套“Cobos”型粪便厌氧消化设备。 这样一个体积为 250 立方米的装置在村里运行。 格雷宾基基辅地区。 该装置的粪便容量为 3 立方米/天，在扎波罗热地区的 Rassvet 国营农场进行了测试 - UkrNIIAgroproekt 设有试点工厂：在基辅家禽农场 - 定期运行 10 立方米，在切尔卡瑟的 Rossiya 国营农场区域 - 体积为 3 m20。 在Sumy MNPO 的附属农场里。 伏龙芝有一个可容纳3头猪的废水处理厂，容量为200立方米。 表 7 列出了一些沼气厂的技术、经济和运行特征。 为了在乌克兰发展生物能源，以获得沼气和优质肥料，有必要建立一种经济机制，刺激该领域的科学技术工作、适当设备的生产和实施。 表7 沼气厂技术、经济和运行指标
现在我们已经知道，农村农庄最常见的有机废物——动物粪便、花园顶部、杂草和其他“有机物”——在一定条件下可以成为家庭急需的可燃气体的来源，适合做饭，给房间供暖并获得热水。 我们称之为沼气。 沼气即使不能完全满足，至少也能部分满足农村居民、避暑别墅和花园业主的燃料需求。 此外，在生产沼气的过程中，废物得到了充分利用，结果不仅改善了地区的卫生条件，消灭了传染病的病原体，腐烂植物的令人不快的大厅消失了，杂草种子死亡了，而且还形成了最有价值的优质有机肥料，其具有增加腐殖质的潜力。 但是，为了让每个人都能够在自己的后院用自己的双手建造最简单的沼气厂，了解利用有机废物生产沼气技术的主要特点以及影响沼气的因素是很有用的。沼气厂的性能以及这些厂的设计。 作者：Shomin A.A.
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