Ауылшаруашылық өнімдерінен биогаз алу үрдістерін зерттеу

АҚМОЛА ОБЛЫСЫ

ФИЗИКА – МАТЕМАТИКАЛЫҚ  БАҒЫТЫНДАҒЫ ТҰҢҒЫШ ПРЕЗИДЕНТІНІҢ  ИНТЕЛЛЕКТУАЛДЫ МЕКТЕБІ

 

 

 

Оразбаева Меруерт

9 – «б» сынып оқушысы

 

Тақырып:  Ауылшаруашылық өнімдерінен биогаз алу үрдістерін зерттеу

 

 

 

 

                                                                                                  Ғылыми жетекші:

                  Көкшетау қаласындағы                                                                                 ФМБ ТПИМ

                                                                                        химия пәнінің мұғалімі

                                                                                Сатиева С.С.

                          Ғылыми кеңесші: 

                                                                                 Ш.Уәлиханов атындағы                                              университетіндегі химия

кафедрасының аға

оқытушысы

                    Нурмуханбетова Н.Н.

 

 

 

 

 

 

Көкшетау 2010

 

Мазмұны:

 

Аннотация

Кіріспе..........................................................................................................................4

Әдебиетке шолу..........................................................................................................5

І Теориялық  бөлім................................................................................................... 6

1.1 Биогаз деген не?...................................................................................................6

1.2  Биогаз өндірісіне  әсер ететін факторлар........................................................7

 1.3 Биогазды алу құрылымы..................................................................................8

 ІІ. Эксперименттік бөлім......................................................................................11

2.1Биогазды алудағы химиялық термодинамиканың аспектілері ..............11

2.2Көміртектің құрамын зерттеу әдісі.................................................................13

2.3 Эксперимент бойынша  алынған мәліметтер және оларды өңдеу...........15

2.4Тәжирибелік ұсыныстар...................................................................................16

Қорытынды..............................................................................................................20

Әдебиеттер  тізімі......................................................................................................21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

Конкурстық  жұмысқа аннотация

Соңғы жылдары энергияны  альтернативті  және тиімді жолдармен алу мәселелері өте кең қарастырылады. Қазіргі кезде ауыл аймақтары газбен қамтамасыз етілсе де, көбінесе әкелінетін пропан-бутан (баллондардағы ) газ. Ауыл аймақтарында пайда болған тапшылықты биогаз көмегімен азайтуға болады. Бұл жұмыста автор  жалпы биогаз жайлы ақпарат оның құрамы, биогаздың түзілу механизмі, шығу тарихы, басқа елдерде биогазды алу әдістері, қолданылуы және әр түрлі биогазды қондырғыларды  қарастырған.

Мақсаты: дәстүрлі емес  альтернативті энергия алу жолдарын қарастыру;

Гипотеза: Адам өміріне қажетті тиімді әдістер арқылы

Ғылыми зерттеу  жұмысының кезеңдері:

• Тақырыпқа байланысты әдебиеттермен жұмыс;
• Биогаздан алынатын жылу мөлшерін есептеулердгі зерттеу жұмысы;
• Берілген жұмыс бойынша нәтиже және қорытынды шығару;

Эксперименттің  әдісі:

• бірнеше  биогаз қондырғыларының артықшылығы мен кемшіліктерін зерттеу;
• белгілі мөлшердегі өнімнен алынатын газдың мөлшерін есептеу;

Жұмыстың жаңашылдығы: Ауылшаруашылық өнімдерінен биогаз алу процесстерін зерттеу.

 

Кіріспе

Соңғы кезде  дәстүрлі емес энергия көздері – күн сәулесі, теңіз ағыстары және толқындары т.б. пайдаланылып жүр. Олардың кейбіреулері, мысалы жел, бұрынғы кездері де қолданылатын, бүгінде де үлкен қолданыста. Ежелгі Қытайда қолданылып «ұмыт болған» және біздің кезімізде тағыда «ашылған» шикізаттардың бірі – биогаз. Биогазды автомобиль жанармайы, электроэнергия, жылу мен буды өндіру үшін жанармай ретінде пайдаланады. Мысалы: Үндістанда, Вьетнамда, Непалда және басқа да елдерде кішігірім биогаз құрылғыларын жасайды. Олардан алынған газ тамақ дайындау үшін қолданылады. Биогазды өндіру атмосфераға метанның бөлінуін тоқтатады.Сондай-ақ,  өңделген малдың қиы ауылшаруашылығында тыңайтқыш ретінде қолданылады.  Бұл химиялық тыңайтқыштарды қолдануды азайтады, яғни жерасты суларға қысым төмендейді. Метан парниктік эффектке СО₂ –ден 21 есе көп ықпал етеді және атмосферада 12 жыл бойы сақталады. Метанды атмосфераға жібермеу - ол атмосферадағы глобальды жылынуды тоқтатудың ең қысқа мерзімді және тиімді жолы.

Осы орайда бұл жұмыстағы негізгі мақсатым:

дәстүрлі емес  альтернативті энергия алу жолдарын қарастыру арқылы ауылшаруашылық өнімдерінен биогаз алудағы жаңа жолдар табу.

Ол  үшін төмендегідей міндеттер қойылды:

1.биогаздың құрамын, алыну жолдарын зерттеу;

2.биогазды басқа елдерде , біздің елде қалай пайдаланатынын зерттеу;

3. биогазды алудың тиімді әдістерін іздестіру;

4. оның биохимиялық әдістерін зерттеу;

 

Химия, микробиология, биотехнология, геоботаника, өсімдіктер физиологиясы, генетика, инженерлік энзимология, молекулярлы биология, микроэлектроника т.б. ғылыми және техникалық  пәндердің жетістіктерін қолдана отырып, биоэнергетиканы табысты дамытуға болады.  

 

  Әдебиеттерге шолу

Соңғы жылдары  энергияны  альтернативті және тиімді жолдармен алу мәселелері өте кең қарастырылады. Бұнда жалпы биогаз жайлы ақпарат, оның құрамы, биогаздың түзілу механизмі, шығу тарихы, басқа елдерде биогазды алу әдістері, қолданылуы және әр түрлі биогазды қондырғылар қарастырылды. Органикалық өңдеуде биогаз технологиясын қолдану экологиялық қатерді тоқтатып қана қоймай, жыл сайын процесс нәтижесінде қосымша 95 млн. т шартты жанғыш заттар алуға болатынын 90 – шы жылдар басында дәлелденген.

   Биогаз – газдар қоспасы.

Оның негізгі  компоненттері: метан (СН₄) – 55 - 70%, көмірқышқыл газы (СО₂) – 28 – 43%, сонымен қатар өте аз мөлшерде басқа газдар, мысалы күкірттісутек (Н₂S).

Витаминдер  – минералдар.

Биоконверсия  процессі энергетикалық сұрақтан басқа, тағы екі сұрақты шешуге қол жеткізеді. Біріншіден – шіріген қый жер құнарлығы мен өнімділігін 10-20% көтереді. Себебі, анаэробты шіру кезінде минералдану және азот қосылыстарының бөлінуі жүреді. Екіншіден – шіру кезінде, қыйдың құрамында әрқашан болатын  арам шөптердін тамырлары, гельминттердің жұмыртқалары және жағымсыз иіс жойылады, басқаша айтқанда экологиялық тазалық эффектісі пайда болады.

Биогаз Европа мен Америкада.  Бүгінгі күнде Европада анаэробты шіру қондырғылардың - 44%, Солтүстік Америкада - 14%. ЕО елдерінде жұмыс істейтін биогазды қондырғыларын бірнеше топқа бөлуге болады. Олардың ішінен ең негізгі үшеуі: агротамақтық топ (67,5%), тамақтық емес өндіріс тобы (15%) және өндірістік емес топ (9,6%).

Данияда 1999 жылдың Қазан айына дейін 1984-1998 жылдары арасында салынған 20 орталандандырылған биогазды қоңдырғы жұмыс істеген. Орталандандырылған биогазды қондырғылардың (заводтардың) негізгі концепциясы, ол бірнеше жақын жатқан ауыл аймақтардан шикізатты жеткізу. Ал көктемде шіріген өнімді сол ауыл аймақтарына жер тыңайтқыш ретінде

жеткізіледі. Орталандандырылған биогазды қоңдырғыларынан басқа Дания үкіметі 1994 жылдан бастап көлемі 150-200 м³, аз көлемді фермерлік қондырғыларын салу концепциясын қолдауда.1997 жылы Данияда 20 аз көлемді фермерлік қондырғы, жылу- және электрэнергиясын шығарып, жұмыс істеді.

Германияда 400-ге жуық метантенк көлемі 600-800 м³ аз көлемді фермерлік қондырғы жұмыс істеуде. 1995 жылдан 1998 жылға дейін  8 орталандан-дырылған биогазды қоңдырғы салынды. 1998 ж. басында метантенктер көлемінің қосындысы 190 мың м³ құрады.

Австрияда 1997 ж. дейін 46 аз көлемді фермерлік қондырғылар жұмыс істеді. 1997 ж. тағы 10 фермерлік және 5 үлкен қоңдырғы ашылды.

   2000 ж. Калифорнияда энергетикалық тапшылық болған себебтен, жергілікті ауылшаруалары электрэнергияны қыйдан жасай бастады.

Ең алғаш  рет электрэнергияны қыйдан алу 25 жыл бұрын пайда болды, бірақ  тиімділігі төмен болғандықтан аса таралмады. Соңғы жылдары Сан-Луи Обиспо (Калифорния) қаласындағы университетінің зерттеушілер тобы сол мәселені дамытты. 

Профессор Даг Уильямс осы университеттің академиялық бағдарламасы аясында электрэнергиясы қыйдан алынатын 200 сүт фермада бақылау жүргізді. Бақылаулар нәтижесінде ірі қара малдың қыйы, белгілі реакциялар және процесстердің әсерінен метан және көмірқышқыл газын беретінін анықтады. Кейін алынған метан электрэнергияны алуда қолданылады.

ІТеориялық бөлім

1.1 Биогаз дегеніміз не?

Биогаз дегеніміз  не? Түрлі органикалық заттарды анаэробты  ферментациялау (қайта булау) кезінде, яғни ауа қатынасынсыз жүретін үрдістер нәтижесінде алынған газ тәріздес өнімді осы терминмен атайды. Әрбір  шаруа қожалығында  жыл ағымында  айтарлықтай көлемде қи және өсімдік пәлектері, әртүрлі  қалдықтар жиналады. Ол қалдықтар шіріген соң, әдетте органикалық тыңайтқыш ретінде қолданылады. Бірақ ферментация кезінде қаншама биогаз бен жылу мөлшері бөлінетінін біле бермейді. Ал бұл бөлінген энергия ауыл тұрғындарына жақсы көмегін тигізеді.

Биогаз –  газдар қоспасы. Оның негізгі компоненттері: метан (СН₄) – 55 - 70%, көмірқышқыл газы (СО₂) – 28 – 43%, сонымен қатар өте аз мөлшерде басқа газдар, мысалы күкірттісутек (Н₂S).

Орташа 1 кг 70%- ке дейін биологиялық ыдырайтын органикалық зат 0,18 кг метан, 0,32 кг көмірқышқыл газын, 0,2 кг су және 0,3 кг ыдырамайтын қалдық өндіреді.

1.3 Биогаз өндірісіне әсер ететін факторлар

      Метан органикалық зааттардың  анаэробты ыдырауының нәтижесінде  пайда болады.  Ашу үрдісіне  әсер ететін факторлар:

Температура

Орта ылғалдылығы

 рН  ортасы

C : N : P қатынасы

Шикізаттың беткі бөлшектерінің  ауданы

Субстратты беру жиілілігі

Орталандыру қосындылары

Метан бактериялары 0-70ºС аралығында  өмір сүруге ыңғайлы.Егер температура жоғарыласа олар өледі, 90⁰ С да өлмейтін кейбір штаммдары бар. Минусты температура болған жағдайда олардың қырылуы байқалмайды, бірақ тіршілік әрекетін тоқтатады. Әдебиеттерде бактериялардың өмір сүру температурасын 3-4ºС белгілейді./3/

Анаэробты жағдайда органикалық заттар бірнеше шіру  этаптарынан өтеді: ацетатқа дейін,  С0₂ және  Н₂. Метаболизмнің бұл өнімдері метантүзуші бактериялармен қолданылады.  /1-кесте/

     Морфологиясы бойынша бұл бактерияларды таяқшатәрізділер (Methanobacterium), кокка тәрізділер (Methanococcus), сарцина тәрізділер(Methanosarcina) және  спирилла тәрізділер (Methanospirillum) деп бөлуге болады.

 Сонымен қатар, оған айтарлықтай дәрежеде қоршаған орта да әсер етеді. Бөлінетін газдың айтарлықтай көлемі температураға байланысты: жылу көп болса, органикалық шикізат ферментациясының дәрежесі және жылдамдығы жоғары болады. Нақ осы себепті алғаш биогаз алу қондырғылары жылы климатты елдерде пайда бастады. Жылу оқшаулағыштарды,  сонымен қатар кейде ысытылған суды қолдану, қыс кезінде  температурасы 20ºС – ге дейін төмендейтін аудандарда биогаз генераторларының құрылысын меңгеруге мүмкіндік береді.

Шикізатқа келесі талаптар қойылады: бактериялардың дамуына  қолайлы орта болуы қажет, биологиялық  ыдырайтын органикалық заттар және құрамында (90 – 94%) көп мөлшерде су болуы керек. Орта бейтарап және бактерия әрекетіне әсерін тигізетін заттарсыз болуы тиіс: мысалы, сабын, ұнтақ, антибиотиктер.

Биогаз алу  үшін өсімдік және шаруашылық қалдықтарын, қи, ағын суларды т.б. қолдануға болады. Ферментация үрдісі кезінде резервуардағы сұйықтық үш фракцияға бөлінеді. Жоғары бөлігі – үлкен бөлшектерден құралған,  біраз уақыттан кейін қатайып биогаздың бөлінуіне кедергі жасайды. Ферментатордың орталық бөлігіне сұйықтық жиналады, ал лас тәрізді фракция төменгі бөлігіне тұнбаға түседі.

Бактериялар орталық зонада аса белсенді, сондықтан резервуар құрамын әлсін - әлсін тәулігіне 1 рет, алты ретке дейін араластырып отыру қажет. Араластыру механикалық құрылымдар және гидравликалық құралдар (насостың әсерімен), пневматикалық жүйе (биогаздың рецеркулциясы) немесе  әртүрлі өзін - өзі араластыру әдістерінің көмегі арқылы жүргізіледі.

1.3Биогазды алу құрылымы

Румынияда биогаз генераторы кең қолданысқа ие. Алғашқы  жеке құрылымдар (сурет 1А) 1982 жылы желтоқсанда  қолданысқа енгізілді. Содан бері ол әрқайсысында  үш конфорлы газды плитасы бар үш отбасын газбен сәтті қамтамасыз етіп келеді.

Ферментатор іші 2 рет пісірілген қаңылтырлы темір: пісірудің бірі – электрлік, екіншісі – газдық салынған диаметрі 4- м-дей  және тереңдігі 2 м (көлемі 25м²) ойықта жатады. Ал тат баспау мақсатында ішкі бөлігі смоламен жабылған. Ферментатордың үстіңгі қабатында бетоннан жасалған тереңдігі шамамен 1 м- дей болатын су қақпағының қызметін атқаратын дөңгелек жырық; осы сумен толтырылған жырада резервуарды жабатын қоңыраудың тік бөлігі сырғиды. Қоңыраудың биіктігі шамамен 2,5 м – екі миллиметрлік құрыштан жасалған. Осы қоңыраудың жоғары бөлігінде аталып отырған газ жиналады.