Гидротермалдық жүйелер

 

Жер астынан алынатын отындардың азайғандықтан биомассаны қолдану кеңінен дамып келе жатқан және дамыған елдерде қолданыс тауып  отыр.

Биомассаның барлық көздерін   үш топқа бөлуге болады. Біріншісіне жер үсті өсімдіктерінің энергетикалық мақсаттары үшін әдейі өсірілетіндер жатады.

Биомассалық көздердің екінші тобына әр түрлі органикалық қалдықтар  жатады:

-жануарлардың биологиялық қалдығы (үлкен мүйізді жануарлардың қиы, үй құстарының саңғырығы және т.б.)

-ауыл шаруашылық мәдениетіндегі егін орғаннан кейін қалатын қалдықтар.

Үшінші топ-бұл судағы өсімдіктер- теңізді балдырлар, үлкен ламинарлар (бурые балдырлар), сулы гиацинт.

  Үй жануарларының экскременттерімен астына төсейтін материалдың қоспасының құрамына байланысты азот, фосфор, калий, магний, темір, көміртегі және микроэлементтер –бор, молибден, кобальт және т.б. Ораша есеппен алғанда 1 тонна әр түрлі үй жануарларынан алған экстрименттерінде 5 кг азот, 2,5 кг фосфор ангидриді (Р₂0₅) және 5 кг калий оксиді (К₂О ). Одан басқа экстрименттердің құрамына көптеген органикалық заттар да енеді.

Биогаздық технология - қауіпсіздендірудің радикалдық әдісі және әр түрлі өсімдіктер мен жануарлардың органикалық қалдықтарының қайта өндірілуі, осыған қоса жануарлар мен адамдардың тәжірбиелері, бұдан біз жоғары калорий газ тәрізді отындар - биогаз және жоғары эффекті экологиялық таза органикалық тыңайтқыш аламыз. Биогаздық технология - бұл энергетиканың, агрохимияның, экологияның және капиталдың қиын жағдайларының шешімі.

Биогаздық технологияның негізінде, мал қиының және құс саңғырығының анаэробтық (оттексіз)жағдайларда табиғи биологиялық ыдыраудың қиын процесстер жатыр. Ашудың оптимальдік режимін сақтағанда, үнемі шикізатты араластырғанда, бастапқы материалды өз кезегінде салғанда және ашыған материалды алғанда биогаздың шығуы 1м³ реактордан 2-3м³ -ке жетеді. Ал құстың саңғырығын қолданғанда - 6м³. Жақсы түсінуге болатын тағы басқа мысалдар келтіруге болады: бір сиыр бір тәулікте 2,5м³ газбен қамтамасыздандырады, семіртілуге қойылған бұқа- 1,6м³, шошқа- 0,3м³, құс-0,02м³.

Метантекте, биомассадағы бар бактериялардың әсерінен органикалық заттардың бір бөлігі метанға (60-70%), көмірқышқыл газдарға (30-40%), күкіртсутектің аз мөлшеріне (0-3%),сонымен қатар сутегінің қоспасына, аммиакқа және азоттың тотықтарына ыдырайды. Биогаз жағымсыз иісті емес.Оның бір куб мөлшеріндегі жану жылуы 25МДж, 0,6л бензин жанғанына, 0,85л спирт жанғанына, 1,7кг отын жанғанына немесе 1,4кВт*сағ электрэнергияның қолдануына эквивалентті. Энергетикалықтан басқа биоконверсиялық процесс тағы бір мәселені шешуіне мүмкіндігі бар. Жай қилардың жер өңдеуінде қолдануына қарағанда, ашыған қиларды қолданғанда, ауыл шаруашылығында 10-15% шығымдылық артады. Бұл анаэробтық өзгертуде минерализация мен азоттық байланыстардың болуымен түсіндіріледі.

Бірақ қазіргі кездегі ең маңызды және биотехнологияның аймақтарындағы болатын басқа аспект - экологиялық. Оны әлі құндылық жағынан және тағы басқа көлемді жақтарынан бағалау қиын, бірақ өкінішке орай, маңызды экологиялық талаптарды дәлелдемейтін кезең енді келді. Микроорганизмдер - метогендер органикалық қалдықтарды (жануарлардың, өсімдіктердің, муниципальді және тағы басқалар) биогазға айналдыру мүмкіндігі бар, оргаминералді заттар және басқа да пайдалы, ең бастысы зиянсыз және залалсыздандырылмаған заттар. Биотехнологияны метаногендерді қолдануында экологиялық деп батыл айтуға болады. Бұл биотехнология заттың және энергияның биосфералық айналудағы табиғи процестерге негізделген және биосфераға потенциалды зиян келтіретін заттарды пайдалы заттарға айналдыруғу бағытталған.

Ең қарапайым биогаздық құралды қиға толы ор тәрізді елестетуге болады, газ шығару потрубкалы колпакпен жабылған. Мұндай қолдану қиды ашыту үшін температуралық режиммен технологиялық талаптар дәл келетін мемлекеттерде қолданылады: Индияда, Индокитайдың мемлекеттерінде және Китайдың оңтүстік провинцияларында бұл тәсіл миллиондап қолданылады.

Мұндай биогаздық құрылғының тәуліктік үнемділігі улкен емес: ол  0,15-0,3м³ газдың 1м³ реактордан тұрады. Ресейдік орталық "ЭкоРос" Миннаукидің көмегімен ("Экологиялық таза энергетика" атты мемлекеттік бағдарлама бойынша) екі биогаздық құрылғыны құрастырды. Оның біріншісі (ИБГУ-1)- алтын алқа алған Халықаралық "Российский  фермер" жәрмекесінде шаруашылық фермаларда жасалған. Бұл құрылғыда жануарлар мен құстардың барлық органикалық қалдықтарын қайтадан қорытады (5-6 сиырлар, немесе 50-60 шошқалар, немесе 500-600 тауықтар), және де барлық коммунальдік қалдықтар және қатты күнделікті үй  қалдықтарды (металл мен шыныдан басқасын). Конструкцияға салынған модульдік принцип қажет болған кезде эквивалентті үнемділікті асыра отырып құрылғыны екі еселетуге мумкіндігі бар. Биореакторда берілген газ сол тұрмыстық конфоркалар мен горелкаларда жанады.

Оның әр модулі 25-30 сиырларға, немесе 250-300 бас шошқаларға, немесе 2500-3000 бас құстарға санаулы, және ортақ электр желісінен тәуелсіз болуға мүмкіндік береді де өзінің энергетикалық қажеттілігін толығымен жауып отырады.

Органикалық заттардың  ауасыз  ыдырау кезінде биогаз пайда  болады.  Бұл биогаздың негізгі құрамды бөлігі төменгі №1  кестеде көрсетілген.               

      

    

       №1 кесте.                 Биогаздің құрамы мен қасиеті

Көсерткіш	Метан	СО2	Н2	H2S	Биогаз (60 CH4 және 40% CO2)
Көлем(%)	55-70	27-44	1	3	100
Жылу шығарғыштығы (МДж.м-3)	35,8	-	10,8	22,8	21,5
Ауырлығы (кг.м-3)	0,72	1,98	0,09	1,54	1,2

 

Метагенездің интенсивтілігі төменгі жағдайлардан тәуелді:

• температурадан(көбінесе 35⁰С – 45⁰С )
• қолайлы аққыштық сақталуы қажет(минималды кепкен қалдық 4-5%, максималды 10-12%)
• органикаклық заттардың деградациясы

 

Анаэробты процесстердің  шығуы.

Экономия тұрғысынан анаэробты  процестер өзімен эффектифті процесті  ұсынады. Оның нәтижесі төменде көрсетілген.

 

• Электро-генраторлық құрылғылардың  турбиналарын айналдыру үшін  биогаз отын ретінде қолданылады.
• Органкалыққ заттарды алу – жануарлардың экскрименттері өсімдікерге тыңайтқыщ ретінде.

 

 

 

Экскременттердің  метагенезінің технологиялық схемасы 

 

• жануарлардың  экскременттері резервурға түседі.
• Ферментация резрвуары-реактор. Мұнда экскременттердің анаэробтық өңдеу, яғни биогаздың пайда болуы.
• Газольдер биогаздарды сақтау үшін қолданылады
• Құрама резервуар экскременттерді өндеу жолында аралық қойма ретінде қызмет етеді.
• Өңделген экскременттердің сепарацясы. Экскременттерді сұйық және қатты  бөліктерге айырады. Бұны жануарлардың экскременттерін эффективті қолдану үшін жасайды .
• Энергетика блогі. Электр жылу энегиясын өндіруге қажет құрылғылар орналасқан.

 

 

 

ІІІ тарау. Биогаздың  қолданылуы

 

Қазақстан мемлекетінде ауыл шаруашылығы  кеңінен дамыған. Соның дамыған бөлігінің бірі біздің Солтүстік Қазақстан төңірегі. Бірақ ауыл шаруашылығында көптеген қалдықтар- бұл жануарлардың экскременттері және өсімдіктердің қалдықтары қолданусыз қалып отыр. Үй жануарарларының қалдықтары қалыпты жағдайда ыдырау кезінде  қоршаған ортаға зиянды заттарды бөледі. Соның бірі - аммиак. Сонымен қатар бізідің облысымыздың  орталағында электр энергиясымен барлығын қамтып отырған  ЖЭС жұмыс істеуде. Оның негізгі қолданылатын отыны  көмір. Көмір жанған кезде  қоршаған ортаны ластайды. Бұл экологиялық жағдайды нашарлатады. Сондықтан осындай проблемадан шығу үшін ауыл шаруашылығында биогаздық технологияларды  электр энергиясын өндіру үшін қолайлы дейміз.

Төмендегі №2 кестеде үй жануарларының  биогазаының өнімі көрсетілген.

 

№2 кесте. Биогаз өнімі

Ферментордың көлемі	Бастар саны	Биогаздың өнімділігі
		МДж/күн	М3/күн
Тауықтар
500	35000	96000	400
2000	142000	39000	1800
4000	283000	77700	3500
10000	710000	195000	8800
Шошқалар
500	1500	7000	300
2000	6000	27000	1200
4000	12000	55000	2500
10000	30000	139000	6200
Қара мал
500	160	5000	230
2000	650	21000	960
4000	1300	42000	1900
10000	3200	106000	4800

 

Биогаздың 1 текшке метр көлемінің жану жылуы жуық мәні мен 23 Мдж-ге тең

Бұл энергияны электр генераторлардың көмегімен  электр энергиясына айналдыруға болады. Ол үшін қайнау қазандарында суды қайнатып оның үлкен қысмдығы буын алу қажет. Осы бу жұмыс істеу нәтижесінде генератордың турбиналарын айналдырады.

Мысалы 1500 айн/мин жасайтын генераторды айналдырған кезде 220В кернеудегі электр тогын тудырады.

Енді турбинаны айнлдыру үшін қажет энергияны есептеп  шығарып осыған қандай мөлшерде  биогаз қажет екенін көрейік.

1500 айн/мин режимінде  жұмыс істейтін генератордың  қандай кинетикалық энергияға  ие болатынын көрейік.

 

 

Егер генератордың роторын  қозғалтатын түрбинаның радиусы  жуық шамамен R=1,5м деп  және оның массасы 50 кг деп алатын болсақ, онда оның кинетикалық энергиясы төмендегідей табылады.

 

бұл жағдайда турбинаны  жуықтап  цилиндр ретінде есептесек.

   

 

Егер турбиналы қозғалтықыштардың  ПӘК-і 35% -ға жуық екенін білсек. Онда

  формуласы бойнша будың энергиясы

формуласымен анықталады.

 

Қалақшалардың арасынан бу өткен кезде оның температурасы 300-600⁰С тең екенін білсек онда. Секунд сайын қалақшалардың арасынан өтетін будың массасын таба аламыз.

 

 

 

 

 

t₁-судың қайнау температурасы

t₂=600⁰C будың қалақшалардан өткен кездегі температурасы

 

 

 

 

 

 

Яғни секунд сайын  қалақшалардың арасынан 0,1 кг су буы  өтеді.

Енді секунд сайын  қанша биогаз қажет екенін көрейік. Ол үшін суды буға айналдыру үшін қанша  энергия қажет екенін көрейік.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мұнда W_ж –суды буландырып оны 600⁰С-қа дейін қажет энергия.

Енді биогаздың көлемін  анықтап көрейік.

 

мұнда q- 1 м³ –көлемдегі биогаздың жану жылуы.

Яғни идеалды жағдайда жанған биогаздың энергиясы толық  суға берілетін болса секунд сайын 0,016м³ биогаз қажет.

Толық бір күн бойы электр энергия алу үшін 691 м³ биогаз қажет.

Онда бір күнде

энергия бөлінеді.

 Ал генратор сонда,  өзінің параметріне байланысты, бір күннің ішінде 

 

P=UI

P=1000В*20А=20000 Вт қуатта жұмыс істеп, күніне А=P*t= =20000Вт*12сағ=240000Вт*сағ

А=240КВт*сағ электр энергиясы өндіріледі

 

Бұл үшін 400 шамасында  қар мал ұстаған қанағат болады.

 

Бұл технологияның тағы бір экологиялық аспекті бар. Ол экологиялық фактор. Малдардың экскременттерінің анаэробты жағдайда ашу кезінде бөлінетін көмірқышқыл газ СН₂ табиғи жағдайда өсімдіктермен жақсы өндіріледі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Қорытынды

 

Қазіргі кездегі болжамдарды  есепке ала отырып осы ғасырдың орта кезінде немесе аяғында мұнайдың, табиғи газдың және басқа да традициялды энергия көздерінің азйып бітуіне тура келеді. Бұған қоса көмірдің қолдануын экологиялық жағдайдың нашарлауына байланысты азайтып тастады.

Цивилизацияның әрі  қарай дамуында энергияның ролі бар  екендігіне ешкім күмән келтірмейді. Қазіргі қоғамда тура немесе жанама адамның іс-әрекеттерінің кез келген аймағында бұлшық еттердің энергиясынан көп энергияны қолданусыз өмірді елестетуге қиын.  

Энергияны қолдану - өмір сүру деңгейінің негізігі көрсеткіші. Адам өзінің өміріне қажет энергияны жинау немсе аң аулау әдісімен жинаған кезде, оған күніне 8 МДж энергия қажет  болды. Отты қолданғаннан кейін оның мөлшері16 МДж-ге дейін артты. Қарапайым ауылшаруашылығында ол 50МДж –ге дейін жетті, ал дамыған -100 МДж болды.

Біздің цивилизацияның өмір сүру жолында традициалды энергия көздері жаңа энергия түрлеріне көп рет ауысты. Және бұл ескі энергия көзі біткендіктен болған емес.

Күн әрқашан адамды жылытып  оған жарық берді, бірақта адамдар  оны отты қолдануға ауыстырды  да ағаштарды жаға бастады. Ағаштардың орнына көмір келді. Ағаштардың қоры аз болмаса да бу машиналарына калориясы жоғары отын қажет болды.

Бірақ көмірде өзінің орынын мұнайға берді.

Енді мұнай мен табиғи газдың азаю салдарынан әлем рынкінде олардың бағасы жоғарлай бастады. Бұл  жағдай әлем саясатында да тұрақсыздықты тудырып отыр. Осыған байланысты жаңа энергия көздері ізделіп биогаз технологиялары дамып келе жатыр.

Осы жұмыста жуық шамада болсада биогаз технологиялардың ауыл шаруашылығында пайдалы жақтарын қарастырып, оның біздің тұрған төңіректе қолайлығын көрсеттік.

Бұл эненргия көздерінің қуаттары  көп болмағанымен олардын  ПӘК-і жоғары. Энегетиканың осындай  түрде дамуын экстенсивті деп  атайды. Биогаздық құрылғылар мемлекеттің  әр аймағында орналаса алады да тәуелсіз өз бетімен жұмыс істей алады.