Метантенк как альтернативный вид энергии

Обработка осадков - это один из сложных и энергоемких процессов в комплексе очищения сточных вод. Стоимость обработки осадков составляет в среднем 30-40% общих затрат на очищение сточных вод.
В то же время осадки, образованные в процессе очищения сточных вод и продукты их переработки, в первую очередь биогаз, являются важными потенциальными источниками энергии в системах водоотвода.
Газ, полученный в результате сбраживания осадков в метантенках, возможно использовать в теплоэнергетическом хозяйстве очистительных станций и на близлежащих объектах.
В настоящее время все большее значение в Украине приобретает вопрос экономии материалов и топливо - энергетических ресурсов, охраны окружающей среды. В этих условиях развитие коммунального хозяйства немыслимо без освоения нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Преимущество их в том, что они неисчерпаемые и экологически чистые.
Возрастающие темпы исчерпания запасов нефти, каменного угля и газа вызывают необходимость поиска новых источников энергии. В принципе источники энергии неисчерпаемые, поскольку энергия - это все, что нас окружает. Человек умеет превращать энергию в доступные формы (имеется в виде использования энергии атома и термоядерных процессов). Однако это связано с определенными трудностями и ограничениями.
Современная технология очищения городских сточных вод связана с потреблением значительных количеств электрической и тепловой энергии. Только на коммунальных очистительных сооружениях ежегодно тратится свыше 735 млн. квт/ ч электроэнергии и возле 1 млн. Гкал тепла.
В условиях острого энергетического кризиса на Украине проблема снижения указанных энергопотерь за счет использования нетрадиционных источников энергии, которые есть на самых очистительных сооружениях и постоянно возобновляемых, есть остро актуальной.
Направление, которое охватывает все методы получения и использование энергии и топлива из органического сырья (осадков), получил название биоэнергетика. Разработка этого направления приведет к значительной экономии традиционных видов топлива. Не менее важный и природоохранный аспект, так как энергетическая переработка органических отходов значительно уменьшит загрязнение окружающей среды.
Для эффективного решения проблемы обработки осадков должен быть разработан проект, целью которого являются снижения отрицательного влияния осадков сточных вод на окружающую среду, усовершенствование их транспортирования, обезвоживание и утилизации; создание самоокупающейся, экологической и энергосберегающей технологии.
К комплексу сооружений анаэробного сбраживания осадков входят метантенки, башня метантенков, газосборный пункт, газгольдеры, пункт управления газгольдерами, газовая свеча с пунктом управления, насосная станция метантенков с циркуляционными насосами и инжекторами для смешивания.
Современные реакторы метантенков эксплуатируются в реакторном режиме, т.е. в высоконагрузочном с беспрерывной загрузкой-разгрузкой, поэтому в реакторах предусмотрено интенсивное перемешивание сбраживаемого осадка с целью предотвращения образования застойных зон и содействие более интенсивному и равномерному удалению биогаза.
Ныне ни в Украине, ни в странах СНГ, не освоено производство надежных высокоэффективных мешалок, поэтому применяют мешалки импортного производства.
Для перемешивания осадков сточных вод в резервуаре метантенка используется мешалка HHSL 12,5-2G STAMO производства Швеции.
Номинальная электрическая мощность электродвигателя мешалки 10 квт, мощность заявлена - 30 квт, мощность расчетная - 27 квт.
Конструкция газовых колпаков метантенков, которые применялись раньше, морально устаревшая, не отвечает современным требованиям ни за эффективностью, ни за надежностью при эксплуатации.
Теплоснабжение для технологических нужд метантенков за счет тепловой энергии, которая регулируется от сбросового тепла энергетической установки, которая использует биогаз как моторное топливо. Теплоносителем тепла есть циркуляционная горячая вода с температурой 85-700 0С.
Учитывая мировой и отечественный опыт, для нагревания осадка, который загружается в реакторы метантенков, теплоносителем с такой небольшой температурой, наиболее эффективным есть использования спиральных теплообменников.
Преимущество спиральных теплообменников: компактность (большая поверхность теплообмена в единицу объема) в сравнении со вторыми типами теплообменников с одинаковыми коэффициентами теплообмена и меньшее гидравлическое сопротивление для прохода теплоносителя и осадка, который нагревается.
Для устранения неравномерности выхода биогаза из метантенков, его аккумуляции, выравнивание давления и состава применяют газгольдеры, вместительность которых устанавливают соответственно графику выхода и потребление биогаза.
Предусматривают мокрые газгольдеры, вместительностью на 2-4 - часовой выход биогаза.
Согласно предыдущим расчетам объем биогаза, что может образовываться в метантенках промышленной установки, составляет приблизительно 15500 м3/сут или 646 м3/час, учитывая равномерный выход биогаза, и постоянную работу когенерационних установок, которые утилизируют биогаз. Целесообразно принять 2 газгольдера объемом 1000 м3 каждый.
Основные назначение насосов – это беспрерывная циркуляция осадка, который сбраживается в метантенке, а также в случае неисправности мешалки обеспечения минимально нужного перемешивания осадка, который сбраживается. Циркуляционный насос должен быть такой производительности, чтобы при беспрерывной работе на протяжении суток осуществлялось однократное перемешивание всего объема реактора. На насосной станции предполагается установка трех рабочих насосов, по одному работающему на каждый резервуар метантенков.
С целью интенсификации процесса сбраживания к реактору метантенка также подается сырой осадок, который для достижения равномерного распределения предварительно подогревается и смешивается из сброженым осадком с помощью смешиваемого инжектора. Соотношение смеси сырого осадка и сброженого осадка должно составлять приблизительно 1:10. Сырой осадок подается в циркулирующий осадок одним насосом производительностью 45 м3/ч.
Биогаз, что образовывается в реакторах метантенков, имеет давление 1,5÷2,5 кПа. Такое давление не может обеспечить эффективную работу двигателя внутреннего сгорания, который использует биогаз как моторное топливо. Поэтому для повышения давления биогаза (до 2÷4 кгс/м2) необходимо применять компрессоры.
Биогаз включает в себя, кроме метана, водную пару, диоксид углерода, небольшое количество сероводорода и др. Смесь биогаза с воздухом (от 4 до 15 % СН4) взрывоопасная. Поэтому для сжатия биогаза не подходят ни воздушные, ни газовые (природного газа) компрессоры.
Компрессоры для биогаза ни в Украине, ни в странах СНГ не вырабатываются, поэтому есть необходимость использования зарубежного оборудования.
Объем биогаза, что образовывается на очистительных сооружениях канализации производительностью 200 тыс. м3/пор по сточной воде, составляет приблизительно 15÷16 тыс. м3/пор, т.е. 625÷650 м3/ч или 10÷11 м3/мин.
Для утилизации биогаза с изготовлением электроэнергии и рекуперацией сбросового тепла от двигателя-генератора предусматривают установку контейнерной когенерационной установки - газогенератору-мине ТЕЦ австрийской фирмы JЕNBACHER с использованием энергоустановки типа J 612 GS мощностью 1458 квт.