Производство на енергия от животински субстрати

B миналото животинската тор е била използвана директно и почти изцяло за подхранване на почвата в градините на селскостопанските ферми. С увеличаването на мащабите на животновъдството в стопанствата през годините се увеличават и обемите отпадъчни животински субстрати, които трябва да бъдат обработвани.

Възниква нуждата от все по-ефективни методи и технологии за третиране на животинската тор с възможности за нейното оползотворяване. Освен като обогатител за почвата, за този изобилен и неизбежно свързан със селскостопанската дейност отпадъчен субстрат започва да се мисли и като за потенциален източник на енергия.

Качества на оборската тор

Животинската тор е обемист материал с висока влажност, който съдържа до 90% вода. Голяма част от останалите 10% са въглеродсъдържащи вещества. Технологията за обработка на този животински субстрат може значително да повлияе качествата му на енергиен източник или на обогатител.

Системите за третиране на отпадъци с висока влажност могат да обработват поток с над 98% влагосъдържание, а събраната тор от пасищата типично е с високо съдържание на почва. В резултат на това хранителните вещества в обработвания субстрат обикновено са много малка част от общия обем и тегло. Набавянето на хранителни вещества от оборска тор за обработваемите земи може да се окаже много по-скъп процес отколкото осигуряването на същото количество азот и фосфор от изкуствена тор.

Много от техниките за преработка на тор се използват в една или друга форма от много години, докато други са съвременни решения, свързани с потенциала за производство на енергия от този животински субстрат. Често се комбинират различни техники, за да се създаде система, адаптирана към конкретните условия в дадена ферма или стопанство, климата или други свързани фактори.

Техники за преработка на тор

За да се отговори на специфичните изисквания на отделните стопанства, се подбират и съчетават различни техники за преработка. Целите на преработката включват: намаляване на биогенното замърсяване (главно от азот и фосфор), редуциране на миризмата, намаляване на обема, оползотворяване на възможностите на оборската тор като енергиен източник и допълнителното й обогатяване с хранителни вещества.

Често техниките за преработване на тор се използват в комбинация, за да превъзмогнат различни предизвикателства, пред които се изправят животновъдите. Съществуват и допълнителни ползи от преработването на тор, например намаляване на емисиите на прахови частици и парникови газове, които се получават вследствие на свободното й оставяне на открито и нейното гниене.

Термохимични процеси

При термохимичните процеси за производство на енергия от животинска тор се отделя топлинна енергия при протичането на различни физични и/ли химични процеси. Термичните системи са подходящи за тор, която е сравнително суха, например птичата тор, тъй като има по-малка необходимост от изсушаване преди обработката.

Топлинните процеси, при които се произвежда гориво вследствие на термохимична преработка на оборска тор, включват пиролиза, газификация и директно изгаряне. Тези методи се различават по отношение на температурата и концентрацията на кислород в процеса, но всеки един от тях превръща твърдия субстрат в запалима газообразна фракция, която при изгарянето си образува димни газове. Димните газове се насочват към топлообменник, който извлича топлината от тях и я прехвърля към топлоразпределителна система.

Директно горене се нарича процесът на изгаряне на биомаса в инсинератор за производство на топлина и електрическа енергия. Пара, образувана от топлината на изгаряне, може да захранва турбина, която, от своя страна, да задвижва генератор на електроенергия.

Оборската тор също може да се преработва с директно горене, но тъй като съдържанието на пепел в нея (неорганичен остатък като почва или друг неорганичен материал, който остава и след изгарянето) е по-високо от това при другите видове биомаса (например дърво и слама) или изкопаеми горива (въглища), директното горене на тор не е толкова практично и ефикасно.

Тъй като животинската тор е много разнообразна по произход, състав и вид, често е желателно тя да се смесва с други горива с цел по-ефективно изгаряне и оползотворяване на енергийния й потенциал. Една от технологиите, при които това се прави, е комбинираното изгаряне в електроцентралите, където се смесват биомаса и изкопаеми горива. Така електроцентралите, които използват въглища за гориво, могат значително да намалят емисиите на серен диоксид (SO2 - замърсител на въздуха, който се освобождава при горенето на въглища).

Комбинираното изгаряне на животинска тор и въглища може да намали и емисиите на азотен окис, който също е основен замърсител на въздуха. Това е възможно, ако животинската тор се изгаря например във вторична горивна камера. Там тя служи като допълнително гориво и органичен източник на карбамид и амоняк (NH3). При комбинираното горене на тор и въглища от оборската тор се отделя NH3, който се свързва с азотните оксиди и образува безвредните продукти азот и вода.

Газификация се нарича процесът, при който гориво (което и да е изкопаемо гориво или биомаса, съдържащо въглерод) се превръща в използваем газообразен продукт без пълното изгаряне на изходното гориво. Този процес се осъществява в среди с кислороден дефицит (частично окисляване) и при високи температури.

Полученото гориво е синтетичен газ, който се състои главно от водород и въглероден окис в различно съотношение. Синтетичният газ може допълнително да се преработи в други горива или продукти чрез химични процеси или да се изгаря за отопление. Синтетичният газ може да се използва и като заместител на природния газ в газови турбини.

Пиролиза е термохимичният процес, при който биомасата се нагрява до високи температури в пълната липса на окислител (кислород). Елементите, нужни за осъществяването на този процес, са горим газ, течен кондензатор и дървени въглища. Получената течност се нарича пиролизно масло, което може да се изгаря допълнително с цел генериране на електрическа енергия. Маслото може да се използва също като химическа добавка за производството на пластмаси и други индустриални продукти.

Компоненти на термохимичните системи

Термохимичните системи за производство на енергия (топлина или електричество) от оборска тор са приспособими към различни мащаби, като техниките се различават значително по отношение на дизайн, ефективност и оперативни разходи. Инсталациите за производство на енергия от тор в стопански мащаб обикновено включват комбинация от различни компоненти.

Всяка конфигурация се различава в зависимост от технологията на производителя и специфичните цели и нужди на фермата/стопанството, където е инсталирана тази система. Цялостните решения най-често включват: покрит склад за тор; корита с транспортна лента; камера за производство на енергия от тор чрез топлинни процеси (горене, газообразуване, пиролиза); топлообменници и котли; система за разпределение на топлинната енергия (въздуховод или тръбопровод); система за контрол на емисиите; система за улавяне на пепелта.

Вторични продукти и екологични аспекти на термохимичните процеси

Чрез термохимични процеси се произвеждат широка гама потенциално използваеми странични продукти, включително течни биомасла, дизелово гориво, горими газове, както и богати на хранителни вещества продукти като пепел и биовъглища. Концентрацията на хранителни вещества зависи от процеса, работните параметри и структурата на системата.

Фосфорът и калият в термичните системи се запазват в пепелта или био въглищата. Докато в биовъглищата остава известна част от азота, тъй като той е свързан с органичен въглерод, голяма част от азота в тези системи се губи в атмосферни емисии. Повечето се изпуска в атмосферата под формата на нереактивен азотен газ (N2). Възможно е да се отделят и реактивни съединения на азота, включително азотни оксиди (NOx) и амоняк (NH3).

Наличието на амоняк и органичен азот в животинската и птича тор обаче може да намали емисиите на NOx в термичните системи чрез процес, подобен на селективната некаталитична редукция на емисиите, прилагана в традиционните електроцентрали. При високи температури амонякът реагира с NOx и образува азот и водна пара, като така намалява емисиите и на двете вредни съединения.

Биологични процеси

Производството на метан е биологичен процес, чрез който се генерира енергия от животинска тор. Процесът, който се нарича анаеробно разлагане, представлява преработване на тор с помощта на бактерии и в отсъствието на въздух (и по-специално кислород), за да се произведе биогаз. Биогазът, произведен от разграждането на органична материя от бактериите в животинската тор, съдържа основно метан (CH4) и въглероден диоксид (CO2).

В относително малки количества са налични и други газове, като азот (N2) и сероводород (H2S), както и следи от органични компоненти. Метанът представлява 60-65% от съдържанието на биогаза, а общо с въглеродния диоксид - повече от 90%. Почти всичкият азот, фосфор и калий остават в усвоената тор.

Метанът, образуван от анаеробно разлагане и използван като източник на енергия, намалява вредните емисии от естественото си образуване, които са много по-опасни от гледна точка на глобалното затопляне отколкото CO2. Топлинният капацитет (енергията, освобождавана от единица количество биогаз, съдържащ 65% CH4) е приблизително 22,34

MJ/m2.

Анаеробни биореактори за обработка на животинска тор

Вместо да се използва за производство на електроенергия, в някои биореактори биогазът се подобрява според стандартите за природен газ и след това се извозва или прокарва до външни промишлени потребители. Самото разлагане има малък ефект върху хранителното съдържание на животинската тор, но е възможно внедряването в стопанството на интегрирани системи за отстраняване на хранителните вещества, които да използват енергията от биореактора за захранване на друго оборудване.

Освен че генерира възобновяема енергия, анаеробното разлагане намалява мириса, образува по-малко патогени и намалява биохимичната нужда от кислород. Разлагането стабилизира летливите органични съединения, които остават в оборската тор, така че наторяването да се извършва с по-малко неприятни миризми. Оборската тор и органичната материя, които преминават през този процес, могат след това да се използват за наторяване, тъй като промяната в съдържанието им на хранителни вещества е малка.

Видове биореактори

Четирите основни вида селскостопански биореактори са покрита анаеробна лагуна, проточен биореактор, система с пълно смесване на материала (кръгъл ферментатор с бъркалки) и биореактор с фиксиран филм. В първата система специално покритие блокира излизането на газа от системата, който бива отделян от анаеробните торни лагуни.

При проточните биореактори оборската тор се движи през биореактора, като недостатък на тази система е, че се изисква относително дълго време на задържане в системата (20 дни). Нейно основно предимство е, че е лесна за управление.

За биореакторите с фиксиран филм оборската тор трябва да се раздели предварително, тъй като те използват само течната фракция. Те са по-високоефективни от проточните биореактори, както и имат по-кратко време на задържане на субстрата в системата. На практика обаче крайното количество преобразувана енергия е близко до това от проточните биореактори.

Съдържанието на твърдо вещество в субстрата е важен критерий при избора на биореактор. Проточните биореактори работят най-добре при съдържание на твърди вещества от 11-13%, така че са подходящи за кравешка тор. Системите с пълно смесване на материала работят с по-широк обхват - 2-10% твърди вещества, което ги прави подходящи за по-голямо разнообразие от материали.

Разработени са и допълнителни варианти на тези основни системи, които да подобрят продукцията на биогаз или да работят с материали с различно влагосъдържание и други характеристики на остатъците от анаеробното разлагане.

Скоростта на разлагане зависи от температурата, така че анаеробните биореактори се класифицират и по своята работна температура. Мезофилните биореактори работят при температури между 35 °C и 40,5 °C. Реакторите, които работят при температури от 49 °C до 60 °C, се наричат термофилни. Покритите лагуни работят при температури по-ниски от 35 °C. Те са по-евтини и широко използвани на места, където контролът на миризми е основната цел. В по-топлите климати покритите лагуни успешно се използват за производство на енергия.

Възможности за локално оползотворяване на енергията

Производството на електричество е само един от начините за оползотворяване на енергията от анаеробните биореактори. Биореакторите могат да осигуряват постоянна мощност, но нуждата от електроенергия на стопанството е различна през различните дни и сезони, така че често се генерират излишъци.

Един от вариантите за малките ферми е интегрирането на акумулаторни системи и измервателни уреди в енергийната система. Така тя работи като система за съхранение: произведената електроенергия се складира, когато няма да се използва, и се употребява безплатно, когато има нужда от нея.

Стопанствата могат да намалят сметките си за електроенергия до нула, ако успяват да се снабдят с цялата необходима за функционирането им енергия. Те могат да използват енергията от анаеробните двигатели както за генериране на електричество, така и за отопление.

Част от произведената енергия от биореакторите обикновено се изразходва за поддръжка на температурата на самия биореактор, но също може да отоплява стопански постройки и вода за битови цели. Биогазът може да се използва и за охлаждане през лятото в абсорбционни хладилни системи.