Современный мир построен на все увеличивающемся потреблении, поэтому особенно быстро истощаются минеральные и сырьевые ресурсы. В то же время на многочисленных животноводческих фермах ежегодно накапливаются миллионы тонн зловонного навоза, и тратятся немалые средства для его утилизации. Люди также не отстают в производстве биологических отходов. К счастью, разработана технология, позволяющая одновременно решать эти проблемы: используя биоотходы (прежде всего, навоз) в качестве сырья, получать экологически чистое возобновляемое топливо – биогаз. Применение таких новаторских технологий породило новую перспективную отрасль – биоэнергетику.
Что такое биогаз
Биогазом называют летучее газообразное вещество, не имеющее цвета, совсем без запаха. Он состоит на 50-70 процентов из метана, до 30 процентов его составляет углекислый газ СО2 и еще 1-2 процента – газообразные вещества – примеси (при очистке от них получается чистейший биометан).
Качественные физико-химические показатели этого вещества приближаются к обычному высококачественному природному газу. По исследованиям ученых, у биогаза очень высокие теплотворные свойства: так, тепло, выделяемое при сжигании одного кубометра этого природного топлива, равнозначно теплу от полутора килограмм каменного угля.
Выделение биогаза происходит благодаря жизнедеятельности особого вида бактерий – анаэробных, при этом мезофильные бактерии активизируются при прогревании среды до 30-40 градусов Цельсия, а термофильные размножаются при более высокой температуре – до +50 градусов.
Под действием их ферментов органическое сырье разлагается с выделением биологического газа.
Сырье для биогаза
Не любые органические отходы подходят для переработки на биогаз. Например, помет от птицефабрик и свиноферм в чистом виде использовать категорически нельзя, потому что у них высок уровень токсичности. Для получения из них биогаза в такие отходы необходимо добавлять разбавляющие вещества: силосовую массу, зеленую травяную массу, а также навоз из-под коров. Последний компонент – самое подходящее сырье для получения экологически чистого топлива, поскольку коровы питаются только растительной пищей. Однако и его надо контролировать на предмет содержания тяжелометаллических примесей, химических составляющих, поверхностно-активных веществ, которых в сырье не должно быть в принципе. Очень важный пункт – контроль на антибиотики и дезинфицирующие вещества. Наличие их в навозе способно препятствовать процессу разложения сырьевой массы и образования летучего газа.
Дополнительная информация. Совсем обойтись без дезинфицирующих средств невозможно, потому что иначе на биомассе под воздействием высоких температур начинает образовываться плесень. Также следует следить и вовремя очищать навозные массы от механических загрязнений (гвозди, болты, камни и т.п.), которые могут быстро испортить биогазовое оборудование. Влажность сырья, идущего для получения биогаза, должна составлять не менее 80-90%.
Механизм образования газа
Для того чтобы в процессе безвоздушного брожения (его по-научному называют анаэробной ферментацией) из органического сырья начал выделяется биогаз, необходимы соответствующие условия: герметичная емкость и повышенная температура. Если все сделано правильно, продуцирующийся газ поднимается наверх, откуда его выбирают для использования, а те твердые частицы, что остаются, представляют собой отличное биоорганическое сельскохозяйственное удобрение, богатое азотом и фосфором, но освобожденное от вредных микроорганизмов. Для правильного и полного протекания процессов очень важен температурный режим.
Полный цикл преобразования навоза в экологическое топливо составляет от 12 дней до месяца, это зависит от состава сырья. С одного литра полезного объема реактора получается около двух литров биогаза. Если применять более совершенные модернизированные установки, то процесс производства биотоплива убыстряется до 3 суток, а выработка биогаза повышается до 4,5- 5 литров.
Люди начали изучать и использовать технологию добычи биотоплива из органических природных источников еще с конца XVIII века, а в бывшем СССР первое устройство по получению биогаза было разработано еще в 40-е годы прошлого столетия. В наше время эти технологии приобретают все большее значение и популярность.
Преимущества и недостатки биогаза
Биогаз как источник энергии имеет неоспоримые плюсы:
- он служит улучшению экологической обстановки в тех местностях, где широко применяется, поскольку наравне с сокращением использования загрязняющего природу топлива происходит очень эффективное уничтожение биоотходов и обеззараживание стоков, т.е. биогазовое оборудование выполняет роль очистительной станции;
- сырье для производства этого органического топлива является возобновляемым и практически бесплатным – пока животные на фермерских хозяйствах получают питание, они будут производить биомассу, а, значит, и топливо для биогазовых установок;
- приобретение и использование оборудования экономически выгодно – однажды купленная установка для получения биогаза больше не потребует никаких вложений, а обслуживается она просто и дешево; так, биогазовая установка для использования в фермерском хозяйстве начинает окупаться уже через три года после запуска; отсутствует необходимость сооружать инженерные коммуникации и линии передачи энергии, затраты на запуск биостанции снижаются на 20 процентов;
- отпадает необходимость в подведении таких инженерных коммуникаций, как линии электропередач и газопровод;
- производство биогаза на станции с использованием местного органического сырья – безотходное предприятие, в противовес предприятиям на традиционных энергоносителях (газопроводы, котельные и т.п.), отходы не загрязняют экосреду, не требуют места для своего хранения;
- при использовании биогаза в атмосферу выделяется некоторое количество углекислого газа, а также серы, однако, эти количества минимальны по сравнению с тем же природным газом и усваиваются зелеными насаждениями при дыхании, поэтому вклад биоэтанола в парниковый эффект минимален;
- по сравнению с другими альтернативными источниками энергии, выработка биогаза всегда стабильна, деятельностью и производительностью установок по его производству человек может управлять (в отличие, например, от солнечных батарей), собирая несколько установок в одну или, наоборот, дробя на отдельные участки для снижения риска аварии;
- в выхлопных газах при использовании биотоплива содержание оксида углерода снижается на 25 процентов, а оксидов азота – на 15;
- помимо навоза, можно использовать и некоторые виды растений для получения биомассы на топливо, например, сорго поможет улучшить состояние почв;
- при добавлении биоэтанола в бензин его октановое число увеличивается, а само топливо становится более детонационно- стойким, его температура самовоспламенения значительно снижается.
Биогаз – не идеальное топливо, он и технология его получения также не лишены недостатков:
- скорость переработки органического сырья в оборудовании для производства биогаза – слабое место в технологии по сравнению с традиционными источниками получения энергии;
- у биоэтанола меньшая теплота сгорания, чем у топлива из нефти – на 30 процентов меньше выделяется энергии;
- процесс довольно неустойчив, для его поддержания требуется большое количество ферментов определенного качества (например, изменение в рационе коров очень сильно влияет на качество навозного сырья);
- недобросовестные производители биомассы для станций переработки могут значительно истощать почвы повышенными засевами, это нарушает экологическое равновесие территории;
- трубы и емкости с биогазом могут разгерметизироваться, что приведет к резкому снижению качества биотоплива.
Где применяется биогаз
Прежде всего, это экологическое биотопливо идет на удовлетворение бытовых потребностей населения, как замена природному газу, для обогрева и приготовления пищи. Предприятия могут использовать биогаз для запуска замкнутого цикла изготовления продукции: особенно эффективно его применение в газовых турбинах. При грамотной наладке и полном совмещении такой турбины с установкой по получению биотоплива его стоимость конкурирует с самой дешевой атомной энергией.
Эффективность использования биогаза очень легко подсчитать. Например, от одной единицы крупного рогатого скота можно получить до 40 килограмм навоза, из которого производится полтора кубометра биогаза, достаточного для выработки 3 киловатт/часов электричества.
Определив потребности хозяйства в электроэнергии, можно определить, какой вид установки для получения биогаза использовать. При небольшом поголовье коров лучше всего биогаз в домашних условиях добывать с помощью простейшей биогазовой установки малой мощности.
Если же хозяйство очень крупное, и на нем постоянно образуется большое количество биоотходов, выгодно смонтировать автоматизированную биогазовую систему промышленного типа.
Обратите внимание! При проектировании и наладке тут потребуется помощь квалифицированных специалистов.
Конструкция биогазовой установки
Любая биоустановка состоит из следующих основных частей:
- биореактор, где происходит биоразложение навозной смеси;
- система подачи органического топлива;
- агрегат для размешивания биологических масс;
- аппараты для создания и поддержания нужного уровня температуры;
- цистерны для помещения в них полученного биогаза (газгольдеры);
- емкости для помещения туда образующихся твердых фракций.
Это полный список элементов для промышленных автоматизированных установок, тогда как биогазовая установка для частного дома гораздо более проще сконструирована.
Биореактор должен быть полностью герметичным, т.е. доступ кислорода недопустим. Это может быть емкость из металла в виде цилиндра, установленная на поверхности почвы, хорошо для этих целей подходят бывшие цистерны от топлива емкостью по 50 кубометров. Готовые разборные биореакторы быстро монтируются / демонтируются и легко перемещаются на новое место.
Если предполагается небольшая биогазовая станция, то целесообразно размещать реактор под землей и выполнять его в виде кирпичного или бетонного резервуара, а также металлических или ПВХ бочек. Можно помещать такой биоэнергетический реактор в помещение, однако необходимо обеспечить постоянное вентилирование воздуха.
Бункеры для подготовки биологического сырья – необходимый элемент системы, потому что перед тем, как попасть в реактор, его надо подготовить: измельчить на частицы до 0,7 миллиметра и пропитать водой, чтобы довести влажность сырья до 90 процентов.
Системы подачи сырья состоят из сырьевого приемника, водопровода и насоса для подачи подготовленной массы в реактор.
Если биореактор выполнен в подземном исполнении, емкость для сырья располагают на поверхности, чтобы подготовленный субстрат самостоятельно под действием силы тяжести тек в реактор. Возможно также расположить сырьевой приемник в верхней части бункера, тогда необходимо использование насоса.
Отверстие для вывода отходов располагают ближе к днищу, напротив входа для сырья. Приемник для твердых фракций выполняют в виде прямоугольного ящика, куда ведет выходная трубка. При поступлении в биореактор новой порции подготовленного био-субстрата, такая же по объему партия твердых отходов подается в приемник. В дальнейшем они используются в хозяйствах в качестве отличных биоудобрений.
Полученный биогаз хранится в газгольдерах, которые помещаются, как правило, сверху реактора и имеют конусообразную или куполообразную форму. Изготавливаются газгольдеры из железа и прокрашиваются масляной краской в несколько слоев (это помогает избежать коррозийного разрушения). В больших промышленных биоустановках емкости для биогаза выполняются в виде отдельно стоящих цистерн, соединенных с реактором.
Для придания полученному газу горючих свойств необходимо избавить его от водяных паров. Производится провод биотоплива по трубе через водяную емкость (гидрозатвор), после чего его можно подавать по пластиковым трубам непосредственно для потребления.
Иногда можно встретить особенные газгольдеры мешкообразного вида из ПВХ. Их располагают в непосредственной близости от установки. По мере заполнения биогазом мешки раскрываются, их объем увеличивается настолько, чтобы принять весь произведенный газ.
Для эффективного протекания процессов биоброжения необходимо постоянное перемешивание субстрата. Для предотвращения образования корки на поверхности биомассы и замедления процессов брожения необходимо постоянно активно ее перемешивать. Для этого сбоку реактора монтируются погружные или наклонные размешиватели в виде миксера для механического перемешивания массы. Для небольших станций они ручные, для промышленных – с автоматическим управлением.
Необходимую для осуществления жизнедеятельности анаэробных бактерий температуру поддерживают с помощью автоматизированных обогревательных систем (для стационарных реакторов), они начинают подогрев при снижении тепла ниже нормы и автоматически выключаются при достижении нормальной температуры. Также можно использовать котельные установки, электрообогреватели или вмонтировать в днище емкости с сырьем специальный нагреватель. Одновременно необходимо снизить потери тепла от биореактора, для этого его укутывают слоем стекловаты или проводят другую теплоизоляцию, например, из пенополистирола.
Биогаз своими руками
Для частных домов применение биогаза сейчас очень актуально – из практически бесплатного навоза можно получить газ для бытовых нужд и обогрева дома и фермы. Собственная биогазовая установка – это гарантия от отключений электричества и подорожания газа, а также отличный способ утилизировать биоотходы, а также ненужную бумагу.
Для строительства в первый раз логичнее всего использовать простые схемы, такие конструкции будут более надежными и прослужат дольше. В дальнейшем установку можно будет дополнить более сложными деталями. Для дома площадью в 50 квадратов достаточное количество газа получается при объеме емкости для ферментирования в 5 кубометров. Для обеспечения постоянного температурного режима, необходимого для правильного брожения, можно использовать трубу отопления.
На первом этапе строительства роют траншею для биореактора, стенки которой должны быть укреплены и герметизированы с помощью пластика, бетонной смеси или же кольцами из полимеров (желательно наличие в них глухого дна – периодически по мере пользования их придется заменять).
Второй этап заключается в монтаже газового дренирования в виде полимерных труб с многочисленными отверстиями. При установке следует учитывать, что верхушки труб должны превышать планируемую глубину наполнения реактора. Диаметр выходных труб должен быть не больше 7-8 сантиметров.
Следующий этап – изоляция. После этого можно заполнять реактор подготовленным субстратом, после чего он укутывается пленкой для увеличения давления.
На четвертом этапе монтируют купола и отводную трубу, которая ставится в самой высокой точке купола и соединяет реактор с газгольдером. Газгольдер можно обложить кирпичом, поверх монтируется сетка из нержавеющей стали и покрывается штукатуркой.
В верхней части газгольдера помещают люк, который закрывается герметично, из него выводят газовую трубу с клапаном для уравнивания давления.
Важно! Получаемый газ должен отводиться и потребляться постоянно, поскольку длительное его хранение в свободной части биореактора может спровоцировать взрыв от повышенного давления. Необходимо предусмотреть гидрозатвор для того, чтобы биогаз не смешивался с воздухом.
Для разогрева биомассы можно установить змеевик, идущий от отопительной системы дома, – это экономически гораздо выгоднее, чем применение электрообогревателей. Внешнее обогревание можно предусмотреть с помощью пара, это исключит перегрев сырья выше нормы.
В целом биогазовая установка своими руками – не такое сложное сооружение, но при ее обустройстве необходимо обращать внимание на самые мелкие детали, во избежание пожаров и разрушений.
Дополнительная информация. Строительство даже самой простой биоустановки должно быть оформлено соответствующими документами, необходимо иметь технологическую схему и карту монтажа оборудования, нужно получить одобрение Санэпидемстанции, пожарной и газовой служб.
В наше время использование альтернативных источников энергии набирает обороты. Среди них очень перспективной является подотрасль биоэнергетики – получение биогаза из органических отходов типа навоза и силоса. Станции производства биогаза (промышленные или маленькие домашние) способны решить проблемы утилизации отходов, получения экологического топлива и тепла, а также качественных сельскохозяйственных удобрений.
Видео
Для владельцев крупных фермерских хозяйств остро стоит вопрос в виде навоза, птичьего помета, останков животных. Для решения проблемы можно использовать специальные установки, предназначенные для получения биогаза. Их легко изготовить в домашних условиях и эксплуатировать на протяжении длительного периода с высоким выходом готового к применению продукта.
Что такое биогаз?
Биогазом называют вещество, получаемое из натурального сырья в виде биомассы (навоза, птичьего помета) вследствие ее брожения. В данный процесс вовлечены различные бактерии, каждая из которых питается продуктами жизнедеятельности предыдущих. Выделяют такие микроорганизмы, принимающие активное участие в процессе производства биогаза:
- гидролизные;
- кислотообразующие;
- метанообразующие.
Технология получения биогаза из готовой биомассы заключается в стимуляции природных процессов. Находящимся в навозе бактериям следует создать оптимальные условия для быстрого размножения и эффективной переработки веществ. Для этого биологическое сырье помещают в закрытый от поступления кислорода резервуар.
После этого в работу вступает группа анаэробных микробов. Они позволяют преобразовать фосфор-, калий- и азотсодержащие соединения в чистые формы. В результате переработки образуется не только биогаз, но и качественные одобрения. Они идеально подходят для сельскохозяйственных нужд и более эффективны, чем традиционный навоз.
Экологическая ценность производства биогаза
Благодаря эффективной переработке биологических отходов получают ценное топливо. Налаживание данного процесса позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу, которые оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Это соединение стимулирует парниковый эффект в 21 раз сильнее, чем углекислый газ. Метан способен сохраняться в атмосфере на протяжении 12 лет.
Для предотвращения глобального потепления, что является проблемой мирового масштаба, необходимо ограничить поступление и распространение этого вещества в окружающую среду. Полученные в процессе переработки отходы являются высококачественным одобрением. Его использование позволяет снизить объем применяемых химических соединений. Синтетически изготовленные удобрения загрязняют грунтовые воды и негативно сказываются на состоянии окружающей среды.
Что влияет на продуктивность производственного процесса?
При правильной организации производственного процесса по выпуску биогаза, из 1 куб. м органического сырья получают около 2-3 куб. м чистого продукта. На его эффективность влияют многие факторы:
- температура окружающей среды;
- уровень кислотности органического сырья;
- влажность окружающей среды;
- количество фосфора, азота и углерода в исходной биологической массе;
- размер частиц навоза или помета;
- наличие веществ, замедляющих процесс переработки;
- включение в состав биомассы стимулирующих добавок;
- частота подачи субстрата.
Перечень используемого сырья для производства биогаза
Получение биогаза возможно не только из навоза или птичьего помета. Для производства экологически чистого топлива можно использовать и другое сырье:
- зерновая барда;
- отходы от выпуска соков;
- свекольный жом;
- отходы рыбного или мясного производства;
- пивная дробина;
- отходы молокозаводов;
- фекальные осадки;
- бытовые отходы органического происхождения;
- отходы от производства биодизеля из рапса.
Состав биологического газа
Состав биогаза после прохождения всех следующий:
- 50-87% метана;
- 13-50% диоксида углерода;
- примеси водорода и сероводорода.
После очистки продукта от примесей получают биометан. Он является аналогом , но имеет другую природу происхождения. Для повышения качеств топлива нормализуют содержание в его составе метана, который является основным источником энергии.
При расчете объемов производимых газов учитывают температуру окружающей среды. При ее повышении выход продукта повышается и снижается его калорийность. На характеристики биогаза негативно влияет повышение влажности воздуха.
Сфера применения биогаза
Производство биогаза играет значительную роль не только для сохранения экологии, но и обеспечивает народное хозяйство топливом. Оно характеризуется обширной сферой применения:
- используется в качестве сырья для производства электроэнергии, автомобильного топлива;
- для обеспечения энергетических потребностей небольших или средних предприятий;
- биогазовые установки исполняют роль очистных сооружений, что позволяет решить .
Технология производства биогаза
Для производства биогаза следует предпринять действия, которые позволят ускорить процесс природного расщепления органической массы. Перед помещением в герметическую емкость с ограниченным поступлением кислорода природное сырье тщательно измельчают и смешивают с определенным количеством воды.
В результате получают исходный субстрат. Наличие в его составе воды необходимо для предотвращения негативного воздействия на бактерии, которое может произойти при попадании веществ из окружающей среды. Без жидкой составляющей процесс брожения значительно замедляется и снижает эффективность работы всей биоустановки.
Оборудование промышленного типа для переработки органического сырья дополнительно оснащается:
- устройством для подогрева субстрата;
- оборудованием для перемешивания сырья;
- приборами для контроля над кислотностью среды.
Данные устройства значительно повышают эффективность работы биореакторов. Благодаря перемешиванию удаляется твердая корка с поверхности биомассы, что увеличивает количество выделяемого газа. Длительность переработки органической массы – около 15 суток. За это время она разлагается только на 25%. Максимальное количество природного газа выделяется, когда степень расщепления субстрата достигает 33%.
Технология изготовления биологического газа подразумевает ежедневное обновление субстрата. Для этого 5% массы удаляют из биореактора, а на ее место укладывают новую порцию сырья. Отработанный продукт используется в качестве одобрения.
Технология производства биогаза в домашних условиях
Производство биогаза в домашних условиях происходит по следующей схеме:
- Осуществляется измельчение биологической массы. Необходимо получить частицы, размер которых не превышает 10 мм.
- Полученная масса тщательно перемешивается с водой. На 1 кг сырья нужно приблизительно 700 мл жидкой составляющей. Используемая вода должна быть питьевой и не содержать примесей.
- Полученным субстратом заполняется весь резервуар, после чего герметически закрывается.
- Желательно несколько раз в сутки тщательно перемешивать субстрат, что повысит эффективность его переработки.
- На 5 день производственного процесса проверяют наличие биогаза и постепенно откачивают его в подготовленные баллоны при помощи компрессора. Периодическое удаление газообразных продуктов является обязательным. Их накопление приводит к увеличению давления внутри резервуара, что негативно сказывается на процессе расщепления биологической массы.
- На 15 день производства часть субстрата удаляют, и загружают свежую порцию биологического материала.
Для определения необходимого объема ректора для переработки биомассы следует рассчитать количество навоза, производимого на протяжении суток. В обязательном порядке учитывается вид используемого сырья, температурный режим, который будет поддерживаться в установке. Используемый резервуар должен заполняться на 85-90% от своего объема. Оставшихся 10% необходимо для накопления полученного биологического газа.
В обязательно порядке учитывается длительность цикла переработки. При поддержании температуры в +35°С она составляет 12 суток. Нужно не забывать, что используемое сырье перед отправкой в реактор разбавляется водой. Поэтому ее количество учитывают перед расчетом объема резервуара.
Схема простейшей биоустановки
Для изготовления биогаза в домашних условиях необходимо создать оптимальные условия для микроорганизмов, которые будут расщеплять биологическую массу. В первую очередь желательно организовать подогрев генератора, что повлечет за собой дополнительные расходы.
- объем емкости для сохранения отходов должен быть не меньше 1 куб. м;
- необходимо использовать герметически закрываемый резервуар;
- утепление бака с биомассой – обязательное условие его эффективной работы;
- резервуар можно углубить в землю. Тепловую изоляцию устанавливают только в верхней его части;
- в емкость монтируется ручная мешалка. Ее ручка выводится наружу через герметический узел;
- предусматриваются патрубки для погрузки/выгрузки сырья, забора биогаза.
Технология изготовления подземного реактора
Для производства биогаза можно установить самую простую установку, углубив ее в грунт. Технология изготовления такого резервуара выглядит следующим образом:
- Выкапывают котлован нужного размера. Его стенки заливают керамзитобетоном, который дополнительно армируют.
- С противоположных стенок бункера оставляют отверстия. В них устанавливают трубы с некоторым наклоном, чтобы производить закачку сырья и извлечение отработанного материала.
- Выходной трубопровод диаметром 70 мм устанавливается практически около самого дна. Другой его конец устанавливается в резервуар, в который будет происходить выкачка отработанного шлама. Рекомендуется делать его прямоугольным.
- Трубопровод для подачи сырья размещают на высоте 0,5 м относительно дна. Его рекомендуемый диаметр – 30-35 мм. Верх трубы заводят в отдельный резервуар для приема подготовленного сырья.
- Верхняя часть биореактора должна иметь купольную или конусную форму. Ее можно изготовить из обычного кровельного железа или других металлических листов. Разрешается сделать крышку резервуара при помощи кирпичной кадки. Для усиления ее конструкции поверхность дополнительно оштукатуривают с установкой арматурной сетки.
- Сверху крышки резервуара делаю люк, который должен герметически закрываться. Через нее также выводят газоотводный трубопровод. Дополнительно устанавливают клапан для сброса давления.
- Для перемешивания субстрата в резервуаре устанавливают несколько пластиковых труб. Они должны быть погружены в биомассу. В трубах делают множество отверстий, что позволяет перемешивать сырье при помощи движущихся пузырьков газа.
Расчет выхода биогаза
Выход биологического газа зависит от содержания в сырье сухого вещества и его типа:
- из 1 т навоза от крупного рогатого скота получают 50-60 куб. м продукта с содержанием метана 60%;
- из 1 т отходов растительного происхождения получают 200-500 куб. м биогаза с концентрацией метана 70%;
- из 1 т жира получают 1300 куб. м газа с концентрацией метана 87%.
Для определения эффективности производства проводят лабораторные испытания используемого сырья. Рассчитывается его состав, что влияет на качественные характеристики биогаза.
Введение
Получение биогаза метатенков и сельскохозяйственных биогазовых установок
Системы хранения биогаза
Состав биогаза
Подготовка биогаза к использованию
Основные направления и мировые лидеры использования биогаза
Заключение
Список использованной литературы
Введение
В мировой практике газоснабжения накоплен достаточный опыт использования возобновляемых источников энергии, в том числе энергии биомассы. Наиболее перспективным газообразным топливом является биогаз, интерес к использованию которого в последние годы не только не убывает, но и продолжает возрастать. Под биогазами подразумеваются метансодержащие газы, которые образуются при анаэробном разложении органической биомассы. В зависимости от источника получения биогазы подразделяются на три основных вида:
Газ метантенков, получаемый на городских очистных канализационных сооружениях (БГ КОС);
Биогаз, получаемый в биогазовых установках (БГУ) при сбраживании отходов сельскохозяйственных производств (БГ СХП);
Газ свалок, получаемый на полигонах отходов, содержащих органические компоненты (БГ ТБО).
В своей работе я рассмотрела технологии получения этих газов, их состав, методы подготовки биогаза к использованию, а именно методы очистки от балластных веществ. Биогаз обладает широким спектром использования, который я коротко рассмотрела в этой работе.
Получение биогаза метатенков и сельскохозяйственных биогазовых установок
По техническому исполнению биогазовые установки подразделяются на три системы: аккумулятивную, периодическую, непрерывную.
В аккумулятивных системах предусматривается сбраживание в реакторах, которые служат одновременно и местом хранения сброженного навоза (субстрата) до его выгрузки. Исходный субстрат постоянно подается в резервуар до его заполнения. Выгрузка сброженного субстрата производится один-два раза в год в период внесения удобрений в почву. При этом часть сброженного осадка специально оставляется в реакторе и служит затравочным материалом для последующего цикла сбраживания. Объем хранилища, совмещенного с биореактором, рассчитывается на полный объем удаляемого с комплекса навоза в межпосевной период. Такие системы требуют больших объемов хранилищ и применяются очень редко.
Периодическая система производства биогаза предполагает разовую загрузку исходного субстрата в реактор, подачу туда же затравочного материала и выгрузку сброженного продукта. Такая система характеризуется довольно большой трудоемкостью, очень неравномерным выходом газа и требует наличия не менее двух реакторов, резервуара для накопления исходного навоза и хранения сброженного субстрата.
При непрерывной схеме исходный субстрат непрерывно или через определенные промежутки времени (1-10 раз в сутки) загружается в камеру сбраживания, откуда одновременно удаляется такое же количество сброженного осадка. Для интенсификации процесса сбраживания в биореактор могут вноситься различные добавки, увеличивающие не только скорость реакции, но и выход и качество газа. Современные биогазовые установки рассчитываются, как правило, на непрерывный процесс и изготавливаются из стали, бетона, пластмасс, кирпича. Для теплоизоляции применяются стекловолокно, стекловата, ячеистый пластик.
По суточной производительности существующие биогазовые системы и установки можно разделить на 3 типа:
малые - до 50 м 3 /сут;
средние – до 500 м 3 /сут;
крупные – до 30 тыс. м 3 /сут.
Метатенковые и сельскохозяйственные биогазовые установки не имеют принципиальных отличий, за исключением используемого субстрата. Технологическая схема биогазовой сельскохозяйственной установки представлена на рис. 1.
Согласно этой схеме навоз из животноводческого помещения (1) поступает в на копительную емкость (2), далее фекальным насосом (3) его загружают в метантенк - емкость для анаэробного сбраживания (4). Биогаз, образующийся в процессе брожения, поступает в газгольдер (5) и далее к потребителю Для нагрева навоза до температуры брожения и поддержания теплового режима в метантенке применяют теплообменник (6), через который протекает горячая вода, нагреваемая в котле (7) Сброженный навоз выгружают в навозохранилище (8).
Рис.1. Обобщенная схема производства биогаза (сельскохозяйственная биогазовая
Биореактор имеет тепловую изоляцию, которая должна стабильно поддерживать температурный режим сбраживания и поддаваться быстрой замене при выходе из строя. Обогрев биореактора осуществляется посредством размещения по периметру стенок теплообменников в виде спирали из труб, по которым циркулирует горячая вода с начальной температурой 60-70 °С. Такая низкая температура теплоносителя принята во избежание гибели метанообразующих микроорганизмов и налипания частичек субстрата на теплообменную поверхность, что может привести к ухудшению теплообмена.В биореакторе также имеются устройства для постоянного перемешивания навоза. Поступление навоза в метантенк регулируется так, чтобы процесс сбраживания протекал равномерно.
Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных и метанообразующих бактерий превращаются в газообразные продукты - метан и углекислоту.
В метантенках обеспечиваются все необходимые параметры процесса-температура(33-37º С) , концентрация органических веществ, кислотность (6,8-7,4) и др. Рост клеток метанового биоценоза также определяется соотношением C:N, и оптимальное его значение составляет 30:1. Некоторые вещества, содержащиеся в исходном субстрате, могут ингибировать метановое сбраживание (табл. 1). Например, куриный помет часто ингибирует метановое сбраживание избытком NH3.
Таблица 1
Ингибиторы метанового сбраживания
Биогаз, получаемый на полигонах ТБО
Процесс неуправляемого газообразования на полигонах бытовых и других отходов, содержащих большую долю органических компонентов, можно рассматривать как процесс получения метансодержащего газа в аккумулятивной системе, длительность процесса до полного разложения органической части здесь гораздо больше, чем в метатенках.
В отечественной практике системы утилизации биогаза на полигонах ТБО пока не получили широкого распространения, поэтому при дальнейшем рассмотрении конструктивных особенностей систем сбора и транспорта биогаза будет учитываться зарубежный опыт. Принципиальная схема одной из таких систем на полигоне ТБО представлена на рис. 2. Система состоит из двух основных частей: газосборной сети, находящейся под разрежением, и распределительной сети потребителей биогаза, находящейся под избыточным низким или (реже) средним давлением.
Рис. 2. Устройство системы дегазации полигонах ТБО
Ниже приводятся определения важнейших элементов системы сбора газа на полигоне, представленные на рис. 2, и требования к отдельным элементам системы.
Газовые коллекторы - это трубопроводы, проложенные в толще отходов, в которых создается разрежение. Как правило, они выполняются либо вертикально в виде газовых скважин, либо горизонтально в виде перфорированных трубопроводов, однако на практике применяются и другие формы (резервуары, гравийные или щебеночные камеры и др.).
Под сборными газопроводами понимаются газопроводы, находящиеся под разрежением и ведущие к части сборных коллекторов. Для компенсации просадок они имеют гибкое присоединение к газовому коллектору, в узле присоединения располагаются контрольно-измерительные приборы (для измерения давления) и штуцеры для отбора проб газа.
В газосборном пункте объединяются сборные газопроводы. Газосборный пункт может быть выполнен в виде трубы, резервуара и т. п. и размещается в низшей точке с целью обеспечения сбора и отвода выпадающего конденсата. В газосборном пункте размещаются контрольно-измерительные приборы и устройства автоматики.
Система отведения конденсата - это устройство на газопроводе для сбора и отвода конденсата в низшей точке системы трубопроводов. В зоне разрежения конденсат отводится через сифоны, в области избыточного давления - посредством регулируемых конденсатоотводчиков. Конденсат можно также отводить как в зоне разрежения, так и в зоне избыточного давления с помощью охлаждающего устройства.
Всасывающим трубопроводом называют прямой участок трубопровода перед нагнетательным устройством, здесь также предусматриваются контрольно-измерительные приборы и устройства автоматики.
Нагнетательные устройства (вентилятор, воздуходувка и т. п.) служат для создания разрежения, необходимого для транспорта газа из тела захоронения или для создания избыточного давления при транспортировании газа к месту использования (к факельной установке, к системе утилизации и т. п.).
Компрессорная установка служит для повышения избыточного давления газа.
В машинном отделении размещаются нагнетательные устройства. Традиционными конструкциями являются контейнеры, металлические кожухи или небольшие строения (гаражи, блочные конструкции и т. д.). На крупных установках газонагнетательные устройства располагаются в машинном зале, иногда они могут размещаться на открытых площадках под навесом.
В этой статье: история применения биогаза; состав биогаза; как повысить содержание метана в биогазе; температурные режимы при получении биогаза из органического субстрата; типы биогазовых установок; форма и место размещения биореактора, а также ряд других важных моментов в создании биореакторной установки своими руками.
Среди важных составляющих нашей жизни большое значение имеют энергоносители, цены на которые растут чуть ли не каждый месяц. Каждый зимний сезон пробивает брешь в семейных бюджетах, заставляя нести расходы на отопление, а значит, на топливо для отопительных котлов и печей. А как быть, ведь электроэнергия, газ, уголь или дрова стоят денег, и чем более удалены наши жилища от крупных энергетических магистралей, тем дороже обойдётся их обогрев. Между тем альтернативное отопление, независимое от каких-либо поставщиков и тарифов, можно построить на биогазе, добыча которого не требует ни геологоразведки, ни бурения скважин, ни дорогостоящего насосного оборудования.
Биогаз можно получить практически в домашних условиях, понеся при этом минимальные, быстро окупаемые затраты — много информации по этому вопросу вы найдёте в нашей статье.
Отопление биогазом — история
Интерес к горючему газу, образующемуся на болотах в тёплый сезон года, возник ещё у наших далеких предков — передовые культуры Индии, Китая, Персии и Ассирии экспериментировали с биогазом свыше 3 тысячелетий назад. В те же древние времена в родоплеменной Европе швабы-алеманны заметили, что выделяемый на болотах газ отлично горит — они использовали его в отоплении своих хижин, подводя к ним газ по кожаным трубам и сжигая в очагах. Швабы считали биогаз «дыханием драконов», которые, по их мнению, жили в болотах.
Спустя века и тысячелетия, биогаз пережил второе своё открытие — в 17-18 веках сразу два европейских учёных обратили на него внимание. Известный химик своего времени Ян Баптиста ван Гельмонт установил, что при разложении любой биомассы образуется горючий газ, а прославленный физик и химик Алессандро Вольта установил прямую зависимость между количеством биомассы, в которой идут процессы разложения, и количеством выделяемого биогаза. В 1804 году английский химик Джон Дальтон открыл формулу метана, а четырьмя годами позже англичанин Гемфри Дэви обнаружил его в составе болотного газа.
Слева: Ян Баптиста ван Гельмонт. Справа: Алессандро Вольта
Интерес к практическому применению биогаза возник с развитием газового освещения улиц — в конце 19-го века улицы одного района английского города Эксетера освещались газом, полученным из коллектора со сточными водами.
В 20-м веке потребность в энергоносителях, вызванная Второй мировой войной, вынудила европейцев искать альтернативные источники энергии. Биогазовые установки, в которых газ вырабатывался из навоза, распространились в Германии и Франции, частично в Восточной Европе. Однако после победы стран антигитлеровской коалиции о биогазе забыли — электроэнергия, природный газ и нефтепродукты полностью покрыли потребности производств и населения.
В СССР технология получения биогаза рассматривалась в основном с академической точки зрения и не считалась сколько-нибудь востребованной.
Сегодня отношение к альтернативным источникам энергии резко изменилось — они стали интересны, поскольку стоимость привычных энергоносителей возрастает год от года. По своей сути биогаз — реальный способ уйти от тарифов и расходов на классические энергоносители, получить свой собственный источник топлива, причём на любые цели и в достаточном количестве.
Наибольшее количество биогазовых установок создано и эксплуатируется в Китае: 40 миллионов установок средней и малой мощности, объём производимого метана — около 27 млрд м 3 за год.
Биогаз — что это
Это газовая смесь, состоящая в основном из метана (содержание от 50 до 85%), углекислого газа (содержание от 15 до 50%) и прочих газов в гораздо меньшем процентном содержании. Биогаз производит команда из трёх видов бактерий, питающихся биомассой — гидролизные бактерии, производящие пищу для кислотообразующих бактерий, которые в свою очередь снабжают пищей метанобразующие бактерии, формирующие биогаз.
Ферментация исходного органического материала (к примеру, навоза), продуктом которой и будет биогаз, проходит без доступа внешней атмосферы и называется анаэробной. Другой продукт такой ферментации, называемый компостным перегноем, хорошо известен сельским жителям, применяющим его для удобрения полей и огородов, а вот производимые в компостных кучах биогаз и тепловая энергия обычно не используются — и напрасно!
От каких факторов зависит выход биогаза с более высоким содержанием метана
Прежде всего — от температуры. Активность бактерий, ферментирующих органику, тем выше, чем выше температура окружающей их среды, при минусовых температурах ферментация замедляется или прекращается полностью. По этой причине выработка биогаза более всего распространена в странах Африки и Азии, расположенных субтропиках и тропиках. В климате России получение биогаза и полный переход на него, как на альтернативное топливо, потребует теплоизоляции биореактора и введение тёплой воды в массу органики, когда температура внешней атмосферы опускается ниже нулевой отметки.
Органический материал, закладываемый в биореактор, должен быть биологически разлагаемым, требуется вводить в него значительное количество воды — до 90% от массы органики. Важным моментом будет нейтральность органической среды, отсутствие в её составе компонентов, препятствующих развитию бактерий, вроде чистящих и моющих веществ, любых антибиотиков. Биогаз можно получить практически из любых отходов хозяйственного и растительного происхождения, сточных вод, навоза и т. д.
Процесс анаэробной ферментации органики лучше всего проходит, когда значение pH находится в диапазоне 6,8-8,0 — большая кислотность замедлит формирование биогаза, т. к. бактерии будут заняты потреблением кислот и производством углекислого газа, нейтрализующего кислотность.
Соотношение азота и углерода в биореакторе необходимо рассчитать, как 1 к 30 — в этом случае бактерии получат необходимое им количество углекислого газа, а содержание метана в биогаза будет наивысшим.
Лучший выход биогаза с достаточно высоким содержанием метана достигается, если температура в ферментируемой органике находится в диапазоне 32-35 °С, при более низких и более высоких значениях в биогазе увеличивается содержание двуокиси углерода, его качество падает. Бактерии, производящие метан, подразделяются на три группы: психрофильные, эффективны при температурах от +5 до +20 °С; мезофильные, их температурный режим от +30 до +42 °С; термофильные, работающие в режиме от +54 до +56 °С. Для потребителя биогаза наибольший интерес представляют мезофильные и термофильные бактерии, ферментирующие органику при большем выходе газа.
Мезофильная ферментация менее чувствительная к изменениям температурного режима на пару градусов от оптимального диапазона температур, требует меньших затрат энергии на обогрев органического материала в биореакторе. Её минусы, по сравнению с термофильной ферментацией, в меньшем выходе газа, большем сроке полной переработки органического субстрата (около 25 дней), разложенный в результате органический материал может содержать вредоносную флору, т. к. невысокая температура в биореакторе не обеспечивает 100% стерильности.
Подъём и поддержание внутриреакторной температуры на уровне, приемлемом для термофильных бактерий, обеспечит наибольший выход биогаза, полная ферментация органики пройдёт за 12 дней, продукты разложения органического субстрата полностью стерильны. Отрицательные характеристики: выход за пределы приемлемого для термофильных бактерий диапазона температур на 2 градуса понизит выход газа; высокая потребность в обогреве, как следствие — значительные затраты энергоносителей.
Содержимое биореактора необходимо промешивать с периодичностью 2 раза за день, иначе на его поверхности образуется корка, создающая преграду для биогаза. Помимо её устранения промешивание позволяет выровнять температуру и уровень кислотности внутри органической массы.
В биореакторах непрерывного цикла наибольший выход биогаза происходит при одновременной выгрузке органики, прошедшей ферментацию, и загрузке новой органики в количестве, равном выгружаемому объёму. В небольших биореакторах, что обычно используют в дачных хозяйствах, каждые сутки необходимо извлекать и вносить органику в объёме, примерно равном 5% от внутреннего объёма камеры ферментации.
Выход биогаза напрямую зависит от типа органического субстрата, закладываемого в биореактор (ниже приведены средние данные на кг веса сухого субстрата):
- навоз конский даёт 0,27 м 3 биогаза, содержание метана 57%;
- навоз КРС (крупного рогатого скота) даёт 0,3 м 3 биогаза, содержание метана 65%;
- свежий навоз КРС даёт 0,05 м 3 биогаза с 68% содержанием метана;
- куриный помёт — 0,5 м 3 , содержание метана в нём составит 60%;
- свиной навоз — 0,57 м 3 , доля метана составит 70%;
- овечий навоз — 0,6 м 3 с содержанием метана 70%;
- солома пшеницы — 0,27 м 3 , с 58% содержанием метана;
- солома кукурузы — 0,45 м 3 , содержание метана 58%;
- трава — 0,55 м 3 , с 70% содержанием метана;
- древесная листва — 0,27 м 3 , доля метана 58%;
- жир — 1,3 м 3 , содержание метана 88%.
Биогазовые установки
Эти устройства состоят из следующих основных элементов — реактор, бункер загрузки органики, отвод биогаза, бункер выгрузки ферментированной органики.
По типу конструкции биогазовые установки бывают следующих типов:
- без обогрева и без промешивания ферментируемой органики в реакторе;
- без обогрева, но с промешиванием органической массы;
- с обогревом и промешиванием;
- с обогревом, промешиванием и приборам, позволяющими контролировать и управлять процессом ферментации.
Биогазовая установка первого типа подходит для небольшого хозяйства и рассчитана на психрофильные бактерии: внутренний объём биореактора 1-10 м 3 (переработка 50-200 кг навоза за сутки), минимальная комплектация, полученный биогаз не хранится — сразу поступает к потребляющим его бытовым приборам. Такую установку можно использовать только в южных районах, она рассчитана на внутреннюю температуру 5-20 °С. Удаление ферментированной органики производится одновременно с загрузкой новой партии, отгрузка выполняется в ёмкость, объём которой должен быть равным или больше внутреннего объёма биореактора. Содержимое ёмкости храниться в ней до введения в удобряемую почву.
Конструкция второго типа также рассчитана на небольшое хозяйство, её производительность несколько выше биогазовых установок первого типа — в оснащение входит перемешивающее устройство с ручным или механическим приводом.
Третий тип биогазовых установок оснащён помимо промешивающего устройства принудительным обогревом биореактора, водогрейный котёл при этом работает на альтернативном топливе, производимом биогазовой установкой. Выработкой метана в таких установках занимаются мезофильные и термофильные бактерии, в зависимости от интенсивности обогрева и уровня температуры в реакторе.
Принципиальная схема биогазовой установки: 1 — подогрев субстрата; 2 — заливная горловина; 3 — ёмкость биореактора; 4 — ручная мешалка; 5 — ёмкость для сборки конденсата; 6 — газовый клапан; 7 — резервуар для переработанной массы; 8 — предохранительный клапан; 9 — фильтр; 10 — газовый котёл; 11 — газовый вентиль; 12 — газовые потребители; 13 — гидрозатвор
Последний тип биогазовых установок наиболее сложен и рассчитан на нескольких потребителей биогаза, в конструкцию установок вводятся электроконтактный манометр, предохранительный клапан, водогрейный котёл, компрессор (пневматическое промешивание органики), ресивер, газгольдер, газовый редуктор, отвод для загрузки биогаза в транспорт. Эти установки работают непрерывно, допускают установку любого из трёх температурных режимов благодаря точно настраиваемому обогреву, отбор биогаза выполняется в автоматическом режиме.
Биогазовая установка своими руками
Теплотворность биогаза, произведённого в биогазовых установках, примерно равна 5 500 ккал/м 3 , что немногим ниже калорийности природного газа (7 000 ккал/м 3). Для отопления 50 м 2 жилого дома и использования газовой плиты с четырьмя конфорками в течение часа потребуется в среднем 4 м 3 биогаза.
Предлагаемые на рынке России промышленные установки по производству биогаза стоят от 200 000 руб. — при их внешне высокой стоимости стоит отметить, что эти установки точно рассчитаны по объёму загружаемого органического субстрата и на них распространяются гарантии производителей.
Если же вы хотите создать биогазовую установку самостоятельно, то дальнейшая информация — для вас!
Форма биореактора
Наилучшая форма для него будет овальной (яйцеобразной), однако соорудить такой реактор крайне сложно. Более лёгким для конструирования будет биореактор цилиндрической формы, верхняя и нижняя части которого выполнены в виде конуса или полукруга. Реакторы квадратной или прямоугольной формы из кирпича или бетона будут малоэффективны, т. к. по углам в них со временем образуются трещины, вызванные давлением субстрата, в них также будут накапливаться затвердевшие фрагменты органики, мешающие процессу ферментации.
Стальные ёмкости биореакторов герметичны, устойчивы к высокому давлению, их не так сложно построить. Их минус — в слабой устойчивости к ржавчине, требуется нанесение на внутренние стенки защитного покрытия, к примеру, смолы. Снаружи поверхности стального биореактора необходимо тщательно зачистить и окрасить в два слоя.
Ёмкости биореакторов из бетона, кирпича или камня необходимо самым тщательным образом покрыть изнутри слоем смолы, способным обеспечить их эффективную водо- и газонепроницаемость, выдерживать температуру порядка 60 °С, агрессию сероводорода и органических кислот. Помимо смолы для защиты внутренних поверхностей реактора можно использовать парафин, разбавленный 4% моторного масла (нового) или керосина и разогретый до 120-150 °С — поверхности биореактора перед нанесением на них парафинового слоя необходимо прогреть горелкой.
При создании биореактора можно воспользоваться не подверженными ржавчине ёмкостями из пластика, но только из жёсткого с достаточно прочными стенками. Мягкий пластик можно использовать только в тёплый сезон, т. к. с наступлением холодов на нём будет сложно закрепить утеплитель, к тому же стенки его недостаточно прочны. Пластиковые биореакторы можно применять только для психрофильной ферментации органики.
Место размещения биореактора
Его размещение планируют в зависимости от свободного места на участке, удалённости от жилых построек, места размещения отходов и животных и т. д. Планирование наземного, полностью или частично погруженного в землю биореактора зависит от уровня грунтовых вод , удобства ввода и вывода органического субстрата в ёмкость реактора. Оптимальным будет размещение корпуса реактора ниже уровня земли — достигается экономия на оборудовании для введения органического субстрата, существенно повышается теплоизоляция, для обеспечения которой можно применить недорогие материалы (солому, глину).
Оснащение биореактора
Ёмкость реактора требуется оборудовать люком, с помощью которого можно выполнять ремонтные и профилактические работы. Между корпусом биореактора и крышкой люка необходимо проложить резиновую прокладку или слой герметика. Необязательным, но крайне удобным будет оснащение биореактора датчиком температуры, внутреннего давления и уровня органического субстрата.
Теплоизоляция биореактора
Её отсутствие не позволит эксплуатировать биогазовую установку круглый год, лишь в тёплое время. Для утепления заглубленного или полузаглубленного биореактора используется глина, солома, сухой навоз и шлак. Укладка утеплителя выполняется слоями — при установке заглубленного реактора котлован перекрывается слоем ПВХ-плёнки, препятствующей прямому контакту теплоизоляционного материала с почвой. До установки биореактора на дно котлована насыпается солома, поверх неё слой глины, затем выставляется биореактор. После этого все свободные участки между ёмкостью реактора и проложенным ПВХ-плёнкой котлованом засыпаются соломой практически до торца ёмкости, сверху засыпается 300 мм слой глины вперемешку со шлаком.
Загрузка и выгрузка органического субстрата
Диаметр труб загрузки в биореактор и выгрузки из него должен быть не меньше 300 мм, иначе они забьются. Каждую из них в целях сохранениях анаэробных условий внутри реактора следует оснастить винтовыми или полуоборотными задвижками. Объём бункера для подачи органики, в зависимости от типа биогазовой установки, должен быть равным суточному объёму вводимого сырья. Бункер подачи следует расположить на солнечной стороне биореактора, т. к. это будет способствовать повышению температуры во вводимом органическом субстрате, ускоряя процессы ферментации. Если же биогазовая установка связана непосредственно с фермой, то бункер следует разместить под её строением так, чтобы органический субстрат поступал в него под действием сил гравитации.
Трубопроводы загрузки и выгрузки органического субстрата следует расположить по противоположным сторонам биореактора — в этом случае вводимое сырьё будет распределено равномерно, а ферментированная органика будет легко извлекаться под воздействием гравитационных сил и массы свежего субстрата. Отверстия и монтаж трубопровода под загрузку и выгрузку органики следует выполнить до монтажа биореактора на место установки и до размещения на нём слоёв теплоизоляции. Герметичность внутреннего объёма биореактора достигается тем, что вводы труб расположены под острым углом, при этом уровень жидкости внутри реактора выше точек ввода труб — гидравлический затвор блокирует доступ воздуха.
Ввод нового и вывод прошедшего ферментацию органического материала проще всего проводить по принципу перелива, т. е. подъём уровня органики внутри реактора при вводе новой порции выведет через трубу выгрузки субстрат в объёме, равном объёму вводимого материала.
Если необходима быстрая загрузка органики, а эффективность ввода материала самотёком низка из-за недостатков рельефа, потребуется установка насосов. Способов два: сухой, при котором насос устанавливается внутрь загрузочной трубы и органика, поступая к насосу по вертикальной трубе, прокачивается им; влажный, при котором насос установлен в бункер загрузки, его привод осуществляется мотором, также установленным в бункер (в непроницаемом корпусе) либо через вал, мотор при этом установлен вне бункера.
Как собирать биогаз
Эта система включает в себя газовый трубопровод, распределяющий газ по потребителям, запорную арматуру, ёмкости для сбора конденсата, предохранительный клапан, ресивер, компрессор, газовый фильтр, газгольдер и приборы потребления газа. Монтаж системы выполняется лишь после полной установки биореактора в месте размещения.
Вывод для сбора биогаза выполняется в наиболее высшей точке реактора, к нему последовательно подключаются: герметичная ёмкость для сбора конденсата; предохранительный клапан и водяной затвор — ёмкость с водой, ввод газопровода в которую выполнен ниже уровня воды, вывод — выше (трубу газопровода перед водяным затвором следует изогнуть, чтобы вода не проникала в реактор), который не позволит двигаться газу в обратном направлении.
Образованный в ходе ферментации органического субстрата биогаз содержит в себе значительное количество паров воды, образующих конденсат по стенкам газопровода и в некоторых случаях блокирующих поступление газа к потребителям. Поскольку сложно выстроить газопровод таким образом, чтобы по всей его длине существовал уклон по направлению к реактору, куда бы стекал конденсат, то в каждом его низком участке требуется установить водяные затворы в виде ёмкостей с водой. Во время работы биогазовой установки периодически требуется удалять из них часть воды, иначе её уровень полностью перекроет поступление газа.
Газопровод должен быть построен трубами одного диаметра и одного типа, все клапаны и элементы системы также должны иметь один и тот же диаметр. Стальные трубы диаметром от 12 до 18 мм применимы для биогазовых установок малой и средней мощности, расход биогаза, поступающего по трубам этих диаметров, не должен быть выше 1 м 3 /ч (при расходе 0,5 м 3 /ч не допускается использование труб диаметром 12 мм на длину свыше 60 м). Это же условие действует при использовании в газопроводе пластиковых труб, кроме того, эти трубы необходимо закладывать ниже уровня земли на 250 мм, т. к. их пластик чувствителен к солнечному свету и теряет под воздействием солнечной радиации прочность.
При прокладке газопровода требуется самым тщательным образом убедиться в отсутствии протечек и газонепроницаемости мест соединений — проверка выполняется мыльным раствором.
Газовый фильтр
В биогазе содержится небольшое количество сероводорода, соединение которого с водой создаёт кислоту, активно коррозирующую металл — по этой причине нефильтрованный биогаз нельзя использовать для двигателей внутреннего сгорания. Между тем удалить сероводород из газа можно простым фильтром — 300 мм отрезком газовой трубы, наполненным сухой смесью металлической и деревянной стружки. Через каждый 2 000 м 3 биогаза, пройдённого через такой фильтр, необходимо извлечь его содержимое и выдержать около часа на отрытом воздухе — стружка будет полностью очищена от серы и её можно использовать повторно.
Запорная арматура и клапаны
В непосредственной близости от биореактора устанавливается основной газовый клапан, в магистраль газопровода следует врезать клапан, сбрасывающий биогаз при давлении более 0,5 кг/см 2 . Лучшими кранами для газовой системы будут шаровые клапаны с хромированным покрытием, использовать краны, предназначенные для водопроводных систем, в газовой нельзя. На каждом из потребителей газа установка шарового крана обязательна.
Механическое перемешивание
Для биореакторов небольшого объёма мешалки с ручным приводом подойдут лучше всего — они просты по своей конструкции и не требуют каких-то особых условий в процессе эксплуатации. Мешалка с механическим приводом устроена так — горизонтальный или вертикальный вал, размещённый внутри реактора по его центральной оси, на нём закреплены лопасти, при вращении перемещающие массы органики, богатую бактериями, от участка выгрузки ферментированного субстрата к месту загрузки свежей порции. Будьте внимательны — мешалка должна вращаться только в направлении промешивания от участка выгрузки к участку загрузки, перемещение метанообразующих бактерий от созревшего субстрата к вновь поступившему ускорит созревание органики и выработку биогаза с высоким содержанием метана.
Как часто следует промешивать органический субстрат в биореакторе? Необходимо определить периодичность путём наблюдения, ориентируясь на выход биогаза — излишне частое промешивание нарушит ферментацию, т. к. помешает деятельности бактерий, кроме того, вызовет вывод непереработанной органики. В среднем промежуток времени между перемешиваниями должен составлять от 4-х до 6-ти часов.
Обогрев органического субстрата в биореакторе
Без обогрева реактор может вырабатывать биогаз только в психрофильном режиме, в результате количество вырабатываемого газа будет меньше, а качество удобрений хуже, чем при более высокотемпературных мезофильном и термофильном рабочих режимах. Нагрев субстрата может производиться двумя способами: подогрев паром; соединение органики с горячей водой или подогрев с помощью теплообменника, в котором циркулирует горячая вода (без смешивания с органическим материалом).
Серьёзный недостаток подогрева паром (прямого подогрева) заключается в потребности включения в биогазовую установку системы парогенерации, включающую в себя систему очистки воды от присутствующей в ней соли. Парогенерационная установка выгодна только для действительно больших установок, перерабатывающих большие объёмы субстрата, к примеру, сточные воды. Кроме того, нагрев паром не позволит точно контролировать температуру нагрева органики, в результате возможен её перегрев.
Теплообменики, размещённые внутри или снаружи биореакторной установки, производят непрямой подогрев органики внутри реактора. Сразу стоит отбросить вариант с обогревом через пол (фундамент), т. к. скопление твёрдого осадка на дне биореактора ему препятствует. Наилучшим вариантом будет ввод теплообменника внутрь реактора, однако образующий его материал должен быть достаточно прочным и успешно выдерживать напор органики при её промешивании. Теплообменник большей площади лучше и однороднее обогреет органику, улучшая тем самым ферментационный процесс. Внешний обогрев, при его меньшей эффективности из-за теплопотери стенок, привлекателен тем, что ничто внутри биореактора не помешает движению субстрата.
Оптимальная температура в теплообменнике должна быть порядка 60 °С, сами теплообменники выполняются в виде радиаторных секций, змеевиков, параллельно сваренных труб. Поддержание температуры теплоносителя на уровне 60 °С снизит угрозу налипания на стенки теплообменника частиц взвесей, скопление которых существенно снизит теплопередачу. Оптимальное место размещения теплообменника — вблизи промешивающих лопастей, в этом случае угроза осаждения частиц органики на его поверхности минимальна.
Отопительный трубопровод биореактора выполняется и оснащается аналогично обычной системе отопления, т. е. должны соблюдаться условия возврата охлаждённой воды в наиболее низкую точку системы, требуются вентили спуска воздуха в её верхних точках. Контроль температуры органической массы внутри биореактора выполняется термометром, которым реактор следует оснастить.
Газгольдеры для сбора биогаза
При постоянном потреблении газа потребность в них отпадает, разве что они могут использоваться для выравнивания давления газа, что существенно улучшит процесс горения. Для биореакторных установок небольшой производительности на роль газгольдеров подойдут автомобильные камеры большого объёма, которые можно соединить между собой параллельно.
Более серьёзные газгольдеры, стальные или пластиковые, подбираются под конкретную биореакторную установку — в лучшем варианте газгольдер должен вмещать в себя объём биогаза суточной выработки. Требуемая ёмкость газгольдера зависит от его типа и давления, на которое он рассчитан, как правило, его объём 1/5...1/3 от внутреннего объёма биореактора.
Стальной газгольдер. Существуют три типа газгольдеров из стали: низкого давления, от 0,01 до 0,05 кг/см 2 ; среднего, от 8 до 10 кг/см 2 ; высокого, до 200 кг/см 2 . Стальные газгольдеры низкого давления использовать нецелесообразно, лучше заменить их пластиковыми газгольдерами — они дороги и применимы только при значительной дистанции между биогазовой установкой и приборами-потребителями. Газгольдеры низкого давления применяются в основном для выравнивания разницы между суточным выходом биогаза и его фактическим потреблением.
В стальные газгольдеры среднего и высокого давления биогаз закачивается компрессором, они используются только на биореакторах средней и крупной мощности.
Газгольдеры необходимо оснастить следующими контрольно-измерительными приборами: предохранительным клапаном, водяным затвором, редуктором давлений и манометром. Газгольдеры из стали обязательно подлежат заземлению!
Видео по теме
Получение биогаза происходит в специальных, корозионностойких цилиндрических герметичных цистернах, также их называют ферментерами. В таких емкостях протекает процесс брожения. Но до того как попасть в ферментер, сырье загружается в емкость приемник. Тут оно смешивается с водой до однородного состояния, с помощью специального насоса. Далее из емкости приемника в ферментеры вводится уже подготовленный сырьевой материал. Надо заметить, что процесс перемешивания при этом не останавливается и продолжается до тех пор, пока в емкости приемнике ничего не останется. После ее опустошения насос автоматически останавливается. После начала процесса ферментации начинает выделяться биогаз, который по специальным трубам поступает в газгольдер, размещенный неподалеку.
Рисунок 5. Обобщенная схема биогазовой установки
На рисунке 6 приведена схема установки для получения биогаза. Органические стоки, обычно жидкий навоз, поступают в приемник-теплообменник 1, где подогреваются нагретым шламом, подаваемым по трубе-теплообменнику насосом 9 из метантенка 3, и разбавляются горячей водой.
Рисунок 6. Схема установки для получения биогаза
Дополнительное разбавление стоков горячей водой и подогрев до нужной температуры проводится в аппарате 2. Сюда же для создания нужного соотношения С/N подаются отходы полеводства. Биогаз, образующийся в метантенке 3, частично сжигается в нагревателе воды 4, и продукты горения выводятся через трубу 5. Остальная часть биогаза проходит через устройство очистки 6, сжимается компрессором 7 и поступает в газгольдер 8. Шлам из аппарата 1 поступает в теплообменник 10, где дополнительно охлаждаясь подогревает холодную воду. Шлам представляет собой обеззараженное высокоэффективное естественное удобрение, способное заменить 3-4 т минерального удобрения типа нитрофоски.
2.2 Системы хранения биогаза
Обычно биогаз выходит из реакторов неравномерно и с малым давлением (не более 5 кПа). Этого давления с учетом гидравлических потерь газотранспортной сети недостаточно для нормальной работы газоиспользующего оборудования. К тому же пики производства и потребления биогаза не совпадают по времени. Наиболее простое решение ликвидации излишка биогаза – сжигание его в факельной установке, однако при этом безвозвратно теряется энергия. Более дорогим, но в конечном итоге экономически оправданным способом выравнивания неравномерности производства и потребления газа является использование газгольдеров различных типов. Условно все газгольдеры можно подразделить на «прямые» и «непрямые». В «прямых» газгольдерах постоянно находится некоторый объем газа, закачиваемого в периоды спада потребления и отбираемого при пиковой нагрузке. «Непрямые» газгольдеры предусматривают аккумулирование не самого газа, а энергии промежуточного теплоносителя (воды или воздуха), нагреваемого продуктами сгорания сжигаемого газа, т.е. происходит накопление тепловой энергии в виде нагретого теплоносителя.
Биогаз в зависимости от его количества и направления последующего использования можно хранить под разным давлением, соответственно и газохранилища называются газгольдерами низкого (не выше 5 кПа), среднего (от 5 кПа до 0,3 МПа) и высокого (от 0,3 до 1,8 МПа) давления. Газгольдеры низкого давления предназначены для хранения газа при малоколеблющемся давлении газа и значительно изменяющемся объеме, поэтому их иногда называют газохранилищами постоянного давления и переменного объема (обеспечивается подвижностью конструкций). Газгольдеры среднего и высокого давления, наоборот, устраиваются по принципу неизменного объема, но меняющегося давления. В практике применения биогазовых установок наиболее часто используются газгольдеры низкого давления.
Вместимость газгольдеров высокого давления может быть различной - от нескольких литров (баллоны) до десятков тысяч кубических метров (стационарные газохранилища). Хранение биогаза в баллонах применяется, как правило, в случае использования газа в качестве горючего для транспортных средств. Основные преимущества газгольдеров высокого и среднего давления - небольшие габариты при значительных объемах хранимого газа и отсутствие движущихся частей, а недостатком является необходимость в дополнительном оборудовании: компрессорной установке для создания среднего или высокого давления и регуляторе давления для снижения давления газа перед горелочными устройствами газоиспользующих агрегатов.
Загрузка...
