ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ЭФФЛЮЕНТА БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

THERMOCHEMICAL PROCESSING OF EFFLUENT OF BIOGAS PLANT

Julia Karaeva

Candidate of Science, Senior Researcher of Energy Systems and Technologies laboratory, Institute of Power Engineering and Advanced Technologies, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences,

Russia, Kazan

Svetlana Timofeeva

Candidate of Science, Junior Researcher of Energy Systems and Technologies laboratory, Institute of Power Engineering and Advanced Technologies, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences,

Russia, Kazan

Vladimir Bashkirov

Doctor of Sciences, Head of Department Chemical Technology of Wood, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

Marat Gilfanov

engineer of the Laboratory for the Integrated Processing of Biomass into Fuel, Materials and Chemical Products, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

В работе представлены результаты термического разложения эффлюента, полученного в результате анаэробного сбраживания коровьего навоза и растительной добавки -  Amaranthus retroflexus L. В результате пиролиза эффлюента были получены пиролизная жидкость (41%), газ (31%) и карбонизат (28%). Жидкие и газообразные продукты пиролиза могут быть использованы для производства тепловой энергии, а карбонизат - в качестве добавки к почве.

ABSTRACT

The paper presents the results of thermal decomposition of the effluent obtained as a result of anaerobic digestion of cow manure and Amaranthus retroflexus L plant additive. Pyrolysis liquid (41%), gas (31%), and carbonizate  (28%) were obtained as a result of pyrolysis of the effluent. Liquid and gaseous pyrolysis products can be used for thermal energy production and carbonizate can be used as a soil additive.

Ключевые слова: биогазовая установка, коровий навоз, эффлюент, пиролиз.

Keywords: biogas installation, dairy manure, effluent, pyrolysis.

В настоящее время многие страны сталкиваются с проблемой утилизации органических отходов сельского хозяйства, возникающей в связи с развитием агропромышленного комплекса. Так как не всегда используются технологии переработки отходов, это приводит к тому, что коровий навоз, птичий помет и другие виды отходов загрязняют не только почву, но и атмосферный воздух.

Обычно технология анаэробного сбраживания предполагает фракционирование сброженного субстрата и раздельное хранение твердой и жидкой фазы. При этом жидкость может быть использована в качестве инокулята или в качестве жидкого органического удобрения, например, для опрыскивания полей.

Твердая фаза обычно представляет собой обезвоженный дигестат, для него необходимы меньшие объемы хранилища. Его можно компостировать с другими органическими отходами, либо смешивать с сорбентами: торфом, древесными опилками, землей и т.п. В таком виде шлам более удобен для хранения и транспортировки. В западноевропейских странах твердую фракцию используют также в производстве композиционных материалов и для получения энергии путем непосредственного сжигания [1].

Отходы биогазовой установки могут также служить сырьем для термохимической переработки. Процесс пиролиза является одним из перспективных методов  переработки эффлюента, в результате которого можно получить ряд продуктов: пиролизную жидкость, газ и твердый остаток [2]. Целью данной работы является исследование термического разложения эффлюента биогазовой установки.

Материалы и методы

В экспериментах применялся эффлюент лабораторной биогазовой установки (рис. 1) [3]. Он был получен после анаэробного сбраживания коровьего навоза и сухой растительной биомассы Amaranthus retroflexus L.

Рисунок 1. Высушенный эффлюент

Эффлюент был высушен при температуре 105⁰С в течение 12-24 часов, затем его измельчили до порошкообразного состояния. Элементный состав и его теплотехнические характеристики приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Характеристики эффлюента

Методика эксперимента

Для исследования пиролиза эффлюента использовалась лабораторная установка, в которой можно проводить термическое разложение различных органических материалов [4]. Процесс термического разложения проводился в условиях пиролиза, при этом максимальная температура составляла 550 ⁰С.

В результате экспериментов по исследованию пиролиза эффлюента получены 3 продукта: пиролизный газ, пиролизная жидкость и твердый углистый остаток – карбонизат.  

Результаты и обсуждение

После завершения процесса пиролиза продукты были собраны и взвешены. На основе полученных данных был определен материальный баланс продуктов пиролиза, который представлен в виде диаграммы (рис. 2).

Рисунок 2. Материальный баланс продуктов пиролиза эффлюента

Летучие компоненты пробы пиролизной жидкости были проанализированы на газовом хроматомасс-спектрометре GC-MS QP2010 Ultra («Shimadzu»). Результаты анализа представлены в табл. 2. В составе пиролизной жидкости отмечается преимущественное преобладание в химическом составе карбоновых кислот. Наибольшая интенсивность отмечается у пика №3 – уксусная кислота, которая образуется при разложении гемицеллюлозы. Также в составе пиролизной жидкости содержатся спирты, алкены, азотсодержащие соединения и другие химические компоненты.

Таблица 2.

ГХ/МС-анализ жидких продуктов

Пиролизная жидкость может использоваться как жидкое топливо с получением тепловой энергии. В то же время, ввиду богатого химического состава пиролизная жидкость может служить сырьем для получения ценных химических соединений.

Пиролизный газ в данной работе не исследовался, однако, как известно из литературы, состав пирогаза представлен СО, СО₂, H₂ и другими угдеводородами [5]. Такой газ обычно используется для сжигания в пиролизной установке для поддержания рабочих параметров процесса.

В результате пиролиза был также получен карбонизат, для которого были определены основные характеристики (табл. 3).

Таблица 3.

Характеристики карбонизата, полученного в результате пиролиза эффлюента

Как видно из табл. 3, в карбонизате увеличилось значение зольности по сравнению с исходным эффлюентом на 29%. В тоже время, для карбонизата наблюдается высокая теплота сгорания, что позволяет сделать вывод о том, что он может быть использован в качестве сырья для процессов термохимической переработки. Поскольку в карбонизате содержание углерода менее 50%, то в чистом виде он не может использоваться как биочар, но, в то же время, может служить добавкой к почве в смеси с торфом и другими наполнителями почвы [6].

Выводы

Разделение субстрата и использование твердой фракции для производства энергии является альтернативным вариантом применения сброженного субстрата. В работе было проведено исследование пиролиза эффлюента, полученного в результате анаэробного сбраживания коровьего навоза и растительной добавки -  Amaranthus retroflexus L. В результате исследований были получены пиролизная жидкость (41%), газ (31%) и карбонизат (28%). Жидкие и газообразные продукты пиролиза могут быть использованы для производства тепловой энергии. Карбонизат может служить сырьем для термохимической переработки или применяться в качестве добавки к почве.

Список литературы:

1. Иовик Л.Н. Использование сброженного отхода биогазовой установки в качестве органического удобрения (Аналитический обзор) / Л.Н. Иовик // Почвоведение и агрохимия. – 2015. - № 1(54). – С. 230-237.
2. Neumann J.  Production and characterization of a new quality pyrolysis oil, char and syngas from digestate – Introducing the thermo-catalytic reforming process / J. Neumann,  S. Binder, A. Apfelbacher, J.R. Gassona, P.R. Garcíaa, A. Hornung // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. – 2015. – Vol. 113. – P. 137-142.
3. Karaeva, J.V. Production of biogas from poultry waste using the biomass of plants from Amaranthaceae family / J.V. Karaeva, R.F. Kamalov, A.I. Kadiyrov / IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2019. - V. 288, conference 1, 012096. – P. 1-5.
4. Гильфанов М.Ф. Исследование термохимического метода переработки органических отходов агропромышленного комплекса, деревообрабатывающей и лесной промышленности / М.Ф. Гильфанов, В.Н. Башкиров, Г.М. Файзрахманова, С.А. Забелкин, А.Н. Грачев, А.З. Халитов, И.Г. Земсков // Вестник Казанского технологического университета. – 2012. – T. 15. – Вып. 18. – С. 66-68.
5. Atienza-Martinez M. Pyrolysis of dairy cattle manure: evolution of char characteristics / M. Atienza-Martinez, J. Abrego, G. Geaa, F. Marias // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. - 2019. - 12 p.
6. Mohan D. D. Mohan, A. Sarswat, Y. S. Ok, C.U.P. Jr Organic and inorganic contaminants removal from water with biochar, a renewable, low cost and sustainable adsorbent – A critical review / D. Mohan, A. Sarswat, Y. S. Ok, C.U.P. Jr // Bioresource Technology. – 2014. – Vol. 160. – P. 191-202.