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無線電子工学および電気工学の百科事典 バイオガス技術の基礎。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
バイオガスプラントとは？ バイオガスプラントは、原則として、廃棄物や廃水などの有機塊を一定の温度で発酵させる密閉容器です。 バイオガスの生成を伴う。 すべてのバイオガスプラントの動作原理は同じです。原料を収集して準備した後、特別な容器で希望の水分含有量にすることから始まり、反応器に供給され、そこで処理を最適化するための条件が作成されます。原材料。 原料からバイオガスやバイオ肥料を得るプロセスは発酵または発酵と呼ばれます。 原料の発酵は特殊な細菌の働きによって行われます。 発酵中、原料の表面にクラストが現れますが、原料を混合してこれを破壊する必要があります。 混合は手動で、または反応器内の特別な装置を使用して行われ、原料から生成されるバイオガスの放出が促進されます。 生成されたバイオガスは、洗浄後に収集され、使用時までガスタンクに保管されます。 バイオガスは、ガスタンクから家庭用機器やその他の機器の使用場所までガス管を通って運ばれます。 バイオガスプラントの反応器で処理され、バイオ肥料となった原料は、搬出口から搬出され、土壌に施用されたり、動物の飼料添加物として使用されます。
原材料の処理の最適化 バイオガスプラントの反応器内で有機廃棄物を処理するために必要な条件には、無酸素状態を観察することに加えて、次のものが含まれます。
バイオガスプラントの種類 バイオガスプラントにはさまざまな設計があります。 それらは、原材料の積載方法、外観、構造のコンポーネントとそれらを構成する材料によって区別されます。 原料の装填方法に応じて、バッチ装填と連続装填の設備が区別され、発酵時間と原料装填の規則性が異なります。 バイオガス生産とバイオ肥料生産の点で最も効率的なのは、連続装入プラントです。 バイオガスの蓄積・貯蔵方法によって設備の外観が異なります。 ガスは、反応器の上部固体部分、柔軟なドームの下、または反応器から離れて浮いているか立っている特別なガスホルダーに集めることができます。 バイオガス技術を使用する利点 適切に機能するバイオガス プラントは、その所有者、社会、環境全般に多くの利益をもたらします。 お金を節約：
追加のお金を受け取る機会:
インストールの迅速な回収：
時間、スペース、女性の労力を節約:
環境上の利点：
バイオガスの詳細 バイオガスは、嫌気性 (空気のアクセスがない) 条件下で有機材料が分解する際にバクテリアによって生成され、メタンと他のガスが次の割合で混合したものです。 表1.バイオガスの組成
メタン含有量に応じて、20 立方メートルのバイオガスの発熱量は 2-3S MJ/m0,6 で、これは 0,8 ～ 1,3 リットルのガソリンの燃焼に相当します。 1,7 ～ 5 kg の薪、または 7 ～ 3 kW の電気を使用します。XNUMX. 生物発酵プロセス バイオガスプラントでの原料の発酵中に、メタン生成細菌は有機物を分解し、分解生成物をバイオガスおよびその他の成分の形で環境に戻します。 消化プロセスに関する知識は、バイオガス プラントの設計、建設、運営に不可欠です。 原料とバイオガス生産の構成 原則として、すべての有機物は発酵と分解の過程を経ます。 しかし、単純なバイオガスプラントでは、家畜、豚、鳥の排泄物や尿、人間の糞便など、均質で液体の有機廃棄物のみを処理することが好ましい。 より複雑なバイオガス プラントでは、植物残渣や固形廃棄物など、他の種類の有機廃棄物を処理することができます。 生成されるバイオガスの量は、使用される原料の種類と消化プロセスの温度によって異なります。 バイオガスの使用
バイオガスは、天然ガスと同様にあらゆるガス機器に使用できます。 バイオガスの最も効率的な使用は、調理、暖房、発電、車両の燃料補給です。 バイオ肥料について キルギスでは、他の多くの発展途上国と同様に、肥料と土地劣化の問題、さらには薪の需要が高いことによる森林破壊の問題との間に直接的な関連性があります。 農村部では、乾燥した肥料（ふん）や有機廃棄物が調理や住居の暖房のために燃やされることがよくあります。 この有機廃棄物の使用により、農業が土壌肥沃度を維持するために非常に必要とする植物栄養素が大幅に失われます。 バイオガス技術の使用により、農村部の人々が利用できる資源を最大限に活用することができます。バイオガスの生産後に残る生物汚泥は、土地全体の品質を改善し、生産性を向上させる効果的な肥料です。 バイオ肥料の特徴 バイオ肥料には、土壌の浸透性と吸湿性の向上に寄与する多数の有機物質が含まれており、同時に侵食を防ぎ、土壌全体の状態を改善します。 有機物は、栄養素を植物が吸収しやすい形に変換する微生物の発達の基礎でもあります。 実際には、バイオ肥料を使用すると植物の収量が大幅に増加することが示されています。 バイオガス技術開発の歴史 原始的なバイオガス技術を使用した個別の事例は、紀元前 3,5 世紀から中国、インド、アッシリア、ペルシャで記録されています。 しかし、バイオガスに関する体系的な科学研究が始まったのは、ほぼ XNUMX 千年後の西暦 XNUMX 世紀になってからです。
1764年、ベンジャミン・フランクリンはジョセフ・プリーストリーに宛てた手紙の中で、米国ニュージャージー州の浅い湿地帯の湖の表面に火を放つことができた実験について説明しました。 沼地や湖の堆積物における可燃性ガスの形成についての最初の科学的根拠は、1776 年にアレクサンダー ボルタによって与えられ、沼地のガス中にメタンが存在することが証明されました。 1804 年にダルトンがメタンの化学式を発見した後、ヨーロッパの科学者はバイオガスの実用化に関する研究の第一歩を踏み出しました。 ロシアの科学者もバイオガス生成の研究に貢献した。 放出されるガスの量に対する温度の影響は、1875 年にポポフによって研究されました。 彼は、川の堆積物が温度約 6°C でバイオガスを放出し始めることを発見しました。 温度が 50°C に上昇すると、放出されるガスの量は、組成が変化することなく大幅に増加しました - 65% メタン、30% 二酸化炭素、1% 硫化水素、および少量の窒素、酸素、水素、および一酸化炭素。 V.L. オメリャンスキーは、嫌気性発酵の性質とそれに関与する細菌を詳細に研究しました。 その直後の 1881 年に、ヨーロッパの科学者は暖房や街路照明にバイオガスを使用する実験を開始しました。 1895 年から、エクセターのある地区の街路灯には、下水の発酵の結果得られ密閉容器に集められたガスが供給されるようになりました。 XNUMX 年後、ボンベイでのバイオガス生産の報告があり、そこではガスがコレクターに集められ、さまざまなエンジンのモーター燃料として使用されました。 1914世紀初頭、発酵温度を上げてバイオガスの量を増やす研究が続けられました。 1921年からXNUMX年にかけてドイツの科学者イムホフとブランク。 は、コンテナの継続的な加熱の導入を含む多くの革新技術で特許を取得しました。 第一次世界大戦中、燃料不足に伴いヨーロッパでバイオガスプラントの普及が始まりました。 このような設備を備えた農場は、設備がまだ不完全であり、最適とはほど遠いモードを使用していましたが、より好ましい条件にありました。 バイオガス技術の開発の歴史における最も重要な科学的ステップの 30 つは、XNUMX 世紀の XNUMX 年代にバスウェルがさまざまな種類の有機廃棄物と原料として肥料を組み合わせる実験に成功したことです。 最初の大規模バイオガスプラントは 1911 年にイギリスのバーミンガム市に建設され、市の下水汚泥の消毒に使用されました。 生成されたバイオガスは発電に使用されました。 したがって、英国の科学者は新しい技術の実用化の先駆者です。 すでに 1920 年までに、彼らは数種類の下水処理プラントを開発していました。 最初の 10 m3 固形廃棄物バイオガス プラントはイスマンとデュセリエによって設計され、1938 年にアルジェに建設されました。 第二次世界大戦中、エネルギー資源が著しく不足していたとき、ドイツとフランスでは、農業廃棄物、主に動物の糞尿からバイオガスを得ることが重視されました。 フランスでは、40 年代半ばまでに、糞尿処理用のバイオガス プラントが約 2 か所稼動していました。 当然のことながら、この経験は近隣諸国にも広がりました。 ハンガリーにはバイオガスを生産する工場がありました。 このことは、ドイツ軍からハンガリーを解放した主にソ連の農村部出身のソ連軍兵士らによって指摘されており、農民農場では牛の糞尿が山積みではなく、可燃物から密閉容器に積み込まれていたことに驚いたという。ガスが得られました。 戦前のヨーロッパの施設は、戦後の安価なエネルギー源（液体燃料、天然ガス、電気）との競争に耐えられず、解体されました。 新たな基盤での開発の新たなきっかけは、東南アジア諸国でバイオガスプラントの自然導入が始まった70年代のエネルギー危機でした。 人口密度が高く、作物の栽培に適した土地のすべてのエリアが集中的に利用されており、原料を人工的に加熱しない最も単純なバージョンでバイオガスプラントを使用するのに必要な十分に温暖な気候が、さまざまな国内外のプログラムの基礎を形成しました。バイオガス技術の導入に向けて。 現在、バイオガス技術は廃水処理と農業廃棄物および固形廃棄物の処理の標準となっており、世界のほとんどの国で使用されています。 先進国 ほとんどの先進国では、バイオガスプラントでの有機廃棄物の処理が熱と電気の生産に使用されることが多くなっています。 この方法で生産されるエネルギーは、ヨーロッパ諸国で消費される全エネルギーの約 3 ～ 4% です。 国家レベルでバイオマスエネルギーの利用を奨励しているフィンランド、スウェーデン、オーストリアでは、バイオマスエネルギーの割合は消費される全エネルギーの15～20％に達しています。 ヨーロッパにおけるバイオマスの嫌気性処理によって生成される電力と熱の使用は、主にオーストリア、フィンランド、ドイツ、デンマーク、英国に集中しています。 現在、ドイツには大規模な嫌気性消化プラントが約 2000 か所あります。 オーストリア国内の反応器容積が 2000 m3 を超えるバイオガスプラントの数は現在 120 を超え、約 25 のプラントが計画および建設中です。 図 4 は、リーベ町にある工業プラントを示しています。このプラントでは、年間 164 万 5.5 トンのバイオマスが処理され、3 万立方メートルのバイオガスが生成され、暖房と発電のために隣町の CHP プラントに販売されます。 肥料は、契約に基づいて行動し、すでに処理された肥料をバイオ肥料の形で受け取ることに関心のある農家によって毎日供給されます。 バイオガス技術の高度な市場開発は、都市廃水処理、産業廃水処理、農業廃棄物処理の分野で見られます。 スウェーデンでは、バイオマス エネルギーが必要な熱エネルギーの 50% を供給しています。 最初の産業用バイオガス反応器の本拠地であるイギリスでは、1990 年にはすでにバイオガスの助けを借りて、農業におけるすべてのエネルギーコストを賄うことが可能でした。 ロンドンには世界最大級の家庭用廃水処理施設があります。
30 年代に、ヨーロッパの経験がアメリカに伝わりました。 家畜排泄物を処理するバイオガスプラントは 1939 年に建設され、30 年以上正常に稼働しています。 1954 年、バイオガス生産による都市廃棄物処理の最初のプラントが米国アイオワ州フォート ドッジに建設されました。 バイオガスを内燃機関に供給して175kWの発電機で発電した。 現在、米国には動物の排泄物を処理する大規模なバイオガスプラントが数百基あり、都市廃水を利用するプラントが数千基あります。 バイオガスは主に発電、住宅暖房、温室に使用されます。 温室効果ガスの排出量の増加、水の使用量と汚染の増加、土地の肥沃度の低下、非効率な廃棄物管理、増大する森林破壊問題はすべて、世界中の持続不可能な天然資源利用システムの一部です。 バイオガス技術は、上記の問題に対処するための一連の対策における重要な要素の 23,8 つです。 世界の再生可能エネルギー源としてのバイオマスの寄与の成長予測では、2040年までに総エネルギー消費量の2010％に達すると想定されており、EU諸国は12年までにこの寄与をXNUMX％に増やす計画である。
開発途上国 開発途上国におけるバイオマス由来のエネルギーの割合は、消費される全エネルギーの約 30 ～ 40% であり、一部の国（主にアフリカ）では 90% に達します24。 発展途上国では、小規模のバイオガスプラントで廃棄物を処理してエネルギーと熱を生産するのが一般的です。 世界中の約 16 万世帯が、バイオガス プラントで生成されたエネルギーを照明、暖房、調理に使用しています。 これには、中国の12万世帯、インドの3,7万世帯、ネパールの140万世帯が含まれます。 中国の農村部では現在、50万人以上が燃料としてバイオガスを使用しています。 一般的なバイオガス プラントの反応器容積は約 6 ～ 8 m3 で、年間 300 m3 のバイオガスを生成し、年間 3 ～ 8 か月間稼働し、費用は州によって異なりますが、約 200 ～ 250 ドルです。 ほとんどのプラントは非常に単純で、一定の訓練を受けた後、農家は自分たちでプラントを建設し、操作します。 2002年以来、中国政府はバイオガスプラントの建設を支援するために毎年約200億ドルを提供してきた。 各設置に対する補助金は平均コストの約 50% です。 このようにして、政府はバイオガスプラントの数を年間 1 万基まで増加させることを達成しました。 中国では数千の中規模および大規模施設が産業ベースで稼働しており、その数はさらに増加する予定です。 インドでは、50 年代に田舎の自家農園向けのシンプルなバイオガス プラントの開発が始まりました。 現在までに、インドでは約 3,7 万のバイオガスプラントが稼働しています。 インドの非在来型エネルギー源省は、1980 年代からバイオガス プラントを導入しており、バイオガス プラントの建設と運営、農民の訓練、サービス センターの開設と運営に補助金と資金を提供してきました。 バイオガスプラントからのガス化および熱エネルギーの生産は、多くの発展途上国で成長産業となっています。 フィリピンでは、1980年代以来、バイオガスプラントが米を研ぎ、灌漑を行うモーターに動力を供給するためのガスを生産してきた。 インド、インドネシア、スリランカの中小企業（繊維産業やスパイス、レンガ、ゴムの乾燥など）によるバイオガスの使用は、XNUMX シーズンも経たないうちに成果を上げました。 ソ連、CIS、キルギスタン ソ連では、40 年代からメタン発酵の科学的基礎が研究されてきました。 ソ連の存在を通じて、科学アカデミーのシステムの研究所は理論研究に参加し、応用研究は公益事業アカデミーで実施されました。 パンフィロフ氏と、全連合農業電化研究所（VIESH）、ウクライナ農業産業複合体研究設計研究所（UkrNIIgiproselkhoz）などの農業研究設計機関。 国内のバイオガスプラント (および農業廃棄物を処理する他の機械) の設計開発の主なセンターは、ザポリージャ農業工学設計技術研究所 (KTISM) でした。 科学者によって収集されたデータは、いくつかの実験室およびパイロット設備の作成の基礎を形成しましたが、州の受け入れテストに許可されたのは 1 つの設計、KOBOS-XNUMX のみでした。 KOBOS-1 ユニットは、実験的な酪農場実験室に基づいてテストに成功し、クルガン地方 (北ウラル) のシュミハ市の工場での連続生産が承認されました。 この施設は、乳牛 400 頭の酪農場または豚 4000 頭の中規模養豚場などの中規模畜産場向けの連続設備の変形として、嫌気性廃棄物処理技術を習得するためのプログラムに従って建設されました。 この工場では 10 セットの装置が生産されましたが、ソ連崩壊後、資金提供が停止されました。 生産された10台のうち、1台はウクライナとベラルーシに配布され、50台は中央アジアに送られ（うち3台はキルギスに送られた）、400台はロシアに送られた。 しかし、導入されたのはそのうちの 500 頭だけで、ベラルーシのブレスト地方のカメネツキー地区にある牛の農場に導入されました。 このプラントは 3 立方メートルを処理します。 肥料を生成し、XNUMX 日あたり XNUMX ～ XNUMX mXNUMX のバイオガスを生成します。
キルギスに導入された設備の 4000 つは、農民協会の Fluid PF によって再装備され、2003 年にチュイ地方のレベディノフカ村にある XNUMX 頭の BEKPR OsOO 養豚場に基づいて設置されました。もう XNUMX つは現在使用されています。オシ地域の民間部門の集水業者として。 著者: Vedenev A.G.、Vedeneva T.A.
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