Биогаз, биогазовые установки
- все чаще и чаще эти слова встречаются в масс-медиа, в разговорах предприимчивых людей. Причина очевидна - рост цен на топливо
Биогаз - это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в процессе анаэробного сбраживания специальных реакторах - метантенках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90% той, которой обладает исходный материал. Другое достоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в ее отходах содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.
производят биогаз путем контролируемого сбраживания биомассы в анаэробных условиях.
Биогаз возможно получать в биогазовых установках самых разных масштабов. Это могут быть небольшие очистные и установки для обеспечения предприятия своей энергией и гигантские централизованные энергопарки для подачи газа и электроэнергии в сеть.
Для производства биогаза пригодно большинство отходов пищевой промышленности и сельского хозяйства, а также специально выращенные энергетические растения. Биогазовые установки могут работать как на моно-сырье, так и на смеси.
Биогазовые установки представляют собой строительные объекты, состоящие из герметичных реакторов оснащенных комплексом систем подачи сырья, подогрева, перемешивания, канализации, воздушной газовой и электрической.
Биогаз - выгоды
Биогазовая установка
— это самая активная система очистки. Любые другие системы очистки потребляют энергию, а не производят.
Помимо экологии, главные выгоды — это получение биогаза и биоудобрений.
Дополнительные выгоды биогазовой установки: выработка электричества и тепла, получение биометана, экономия капитальных затрат на очистных при постройке новых предприятий.
Производство биогаза позволяет предотвратить выброс метана в атмосферу. Его улавливание — самый лучший способ предотвращения глобального потепления.
Принцип работы биогазовой установки
Биогазовая станция производит биогаз и биоудобрения путем бескислородного брожения из биоотходов и энергетических культур.
Промышленная биогазовая станция – строительный объект, в котором доля оборудования составляет 70-80%. Это закрытые реакторы (метантенки) выполненные из монолитного железобетона или стали с покрытием. Конструкция модульная с диаметром 24 м и высотой 6 м. При увеличении мощности увеличивается количество реакторов.
Жидкие биоотходы перекачиваются на биогазовую установку фекальными насосами по трубопроводу. Они попадают в предварительную емкость, где происходит перемешивание массы, разбавление до необходимой влажности и подогрев до необходимой температуры.
Выходы биогаза
Оборудование биогазовой установки
Биогазовый реактор
Биогазовый реактор состоит из панелей, выполненных из стали с высококачественным покрытием по технологии высокотемпературного спекания «elamel». Это покрытие является долговечным, стойким к химическим воздействиям, коррозии и ударо-прочным. Конструкция предусматривает быструю сборку и разборку.
Преимущество биогазовых реакторов из стали с покрытием по сравнению с бетонными состоит в долговечности, отсутствии необходимости в опалубке, сокращении сроков, возможности круглогодичного строительства. Люки из нержавеющей стали, усиленные вырезы под мешалки, смотровые окна — все рассчитано с учетом особенностей биогазовой технологии.
Важным преимуществом металлического реактора по сравнению с ж.б. является то, что он легко демонтируется и признается банками лучшим залогом.
Загрузчик для биогазовой установки
Силос или другое твердое сырье подается непосредственно в биогазовый реактор шнековым загрузчиком. Бункер укомплектовывается двумя турбошнеками, которые имеют систему плавного пуска, благодаря чему происходит экономия электроэнергии и гарантируется надежная работа привода в течение 24 часов в день.
Особо прочная конструкция из легированной стали со стойким к кислотному воздействию покрытием позволяет агрегатам работать при больших нагрузках. Использование специальных скребков с регулируемыми ножами увеличивает производительность. Привод с надежными планетарными редукторами гарантирует стабильность работы при максимальных нагрузках и вращающих моментах, а гидравлическое управление заслонкой обеспечивает очистку турбошнека и транспортера.
Мешалка наклонная для биогазовой установки
Наклонные мешалки разработаны специально для работы в агрессивных условиях внутри биогазового реактора. Винты изготовлены при помощи специального оборудования, которое обеспечивает миллиметровую точность в наклоне лопастей.
Мешалка с электрическим приводом разработана для работы во взрывоопасной среде класса 1 и класса 2. Все детали мешалки, включая изоляционную мембрану для трубки привода защищены от ультрафиолетового излучения. Винтовая мешалка монтируется с внешней стороны стены ферментатора.
Мешалка поддерживается при помощи двух верхних реек либо опционально на реечной передаче, что позволяет устанавливать любой угол наклона. Карданный вал, винт, и пластина изготовлены из нержавеющей стали.
Мешалка погружная
Погружные мешалки биогазовых станций с электрическим приводом сконструированы для работы во взрывоопасной и одновременно агрессивной среде.
Мешалка устанавливается на мачту с помощью крепления двигателя для регулировки высоты устройства. Благодаря роликовым направляющим мешалка может плавно погружаться и подниматься без трения, даже если кабель тянется под небольшим углом.
Мотор-редуктор изготовлен из чугуна с шаровидным графитом и сверху окрашен. Винт оцинкован, а крепление двигателя изготовлено из нержавеющей стали. Погружная мешалка выполнена в виде водонепроницаемого моноблока, приводящего в движение трехлопастной винт.
Теплопункт биогазовой станции
Внутри биогазового реактора поддерживается фиксированная для микроорганизмов температура. Температура в реакторе мезофильная около +37°С. Подогрев реактора ведется теплоносителем. Температура теплоносителя на входе в реактор +80°С. Температура носителя после реактора около +55°С.
Система подогрева — это котлы, насосы, теплообменники, гребенки. Сеть трубок для подогрева находится внутри стенки реактора, либо на ее внутренней поверхности. Если биогазовая установка комплектуется когенерационной установкой, то теплоноситель от охлаждения генератора используется для подогрева реактора.
Источниками теплоснабжения сооружений биогазовой установки могут быть газовые котлы, которые работают на биогазе, на природном газе и на смеси, а также электрические котлы.
Газгольдер-мешок
Материал газгольдера устойчив к поджогу электропроводами под напряжением, фейерверками, а также к прорыву металлическими стержнями, даже раскаленными докрасна.
Монтируется в специальном проветриваемом ангаре. Конструкция газгольдера позволяет накапливать и удерживать давление биогаза под пленкой от 0,005-0,01 Бар.
Подача биогаза в газгольдер осуществляется через специальные патрубки, оснащенными предохранительными клапанами во избежание переполнения.
Газгольдер биогазовой установки
Газгольдер — хранилище биогаза. Он герметично крепится сверху реактора. Система газгольдера имеет двухслойную конструкцию. Внешний купол-чехол имеет стойкость к ультрафиолетовому излучению и атмосферным осадкам.
Внутренний купол натягивается под действием вырабатываемого биогаза.
Между внешним и внутренним куполами закачивается воздух для создания давления на нижний купол, а также для придания формы внешнему. Давление биогаза внутри газгольдера составляет от 200 до 500 Па. Запас газгольдера на 2-3 часа хранения биогаза.
Сепаратор биогазовой станции
Сепаратор предназначен для разделения переброженной массы на твердую и жидкую фракции и входит в базовую комплектацию установки получения биогаза. Детали сепаратора выполнены из коррозионно- и износостойкой стали. Смесь поступает произвольно или подается при помощи насоса через патрубок подачи смеси в загрузочную камеру. Из загрузочной камеры с помощью шнека переменного шага, выполненного из износостойкой стали, смесь подается в камеру сепарирования.
Камера сепарирования представляет собой цилиндрическое сито, также выполненное из износостойкой стали. В камере сепарирования посредством отжима происходит разделение жидкой и твердой фракций. Жидкая фракция сливается через сливной парубок в накопительный резервуар. Твердая фракция через разгрузочное устройство покидает сепаратор и скапливается в накопительном контейнере.
Факел биогазовой установки
Факельная установка предназначена для временного или периодического полного сжигания биогаза, вырабатываемого биогазовыми установками или полигонами ТБО при отсутствии возможности его полезного использования в качестве энергоносителя.
Сжигающая система состоит из горелки и дополнительных узлов.
Горелка сконструирована по принципу инжекционного сжигания и состоит из сопла, инжектора с системой контроля подачи воздуха, трубы защиты пламени, штуцера и системы управления горелкой.
Система сжигания биогаза сделана из нержавеющей стали. Несущая конструкция держит горелку и вертикально установленный штуцер.
Система управления горелки установлена в шкафу, который монтируется на несущей конструкции системы сжигания, и содержит все элементы для контроля и управления зажиганием и пламенем.
Опции биогазовой установки
Когенерация
Производство электрической и тепловой энергии в установках на базе двигателя внутреннего сгорания — наиболее распространённый способ извлечения выгоды от биогазовой станции. Электроэнергия может круглогодично использоваться как собственных нужд, так и для подачи в сеть по нерегулируемому или зеленому тарифу.
Из 1 м3 биогаза вырабатывается одновременно 2,4 кВтч электрической +2,5 кВтч тепловой энергии.
Преимущества когенерационных установок по сравнению с аналогами:
— замены масла не 500, а 2000 моточасов,
— высокий эл. КПД до 40 %, сумм.КПД эл.+тепло до 90%,
— высшая надежность.
Электростанция — главная деталь биогазовой станции, в ней больше всего подвижных частей. От этого агрегата напрямую зависит выручка и это то, на чем не стоит экономить.
Очистка до метана
Данная система позволяет производить очистку (обогащение) биогаза до состояния биометана. Биометан — полный аналог гостовского природного газа с концентрацией метана в пределах 95-99%. После системы очистки газ может использоваться как моторное топливо для заправки автомобилей, может подаваться в общую систему газоснабжения в трубу среднего или низкого давления или использоваться на технологические нужды для полной замены природного газа.
Предлагается регенеративная водяная система обогащения биогаза. Ее принцип работы основан на различной растворимости газов в жидкости. При пропускании биогаза через холодную воду углекислый газ растворяется в ней, а при нагреве высвобождается.
Преимуществом водяной системы обогащения биогаза по сравнению с PSA или угольными системами абсорбции является низкая себестоимость очистки газа. Благодаря использованию воды как основного компонента данного процесса для процесса не требуется никаких реагентов или больших затрат на
Сушка удобрений
Сушка биоудобрений позволяет более полно использовать потенциал биогазовой станции и в разы повысить ее рентабельность. Сушеные биоудобрения имеют более высокую продажную цену по сравнению с просто отсепарированной биомассой. В сушеном гранулированном виде удобрения могут с низкими затратами транспортироваться на любые расстояния и храниться достаточно долго. Два побочных продукта биогазовой станции- тепло и сырые биоудобрения могут быть задействованы для производства востребованного продукта. Сушеные биоудобрения сравнимы с гуано.
Низкотемпературная конвейерная сушилка работает по высокоэффективному методу для сушки биомассы с помощью низкой температуры. Малый уровень выбросов и высококачественный конечный продукт, при низком уровне потребления являются преимуществом технологии. Регулировка скорости подачи продукта гарантирует постоянную влажность обсушиваемого продукта и оптимальное использование дополнительной тепловой энергии.
Вопросами, как сократить расходы на отопление жилища, приготовление пищи и электроснабжение, озабочены многие владельцы домохозяйств. Некоторые из них уже соорудили своими руками биогазовые установки и частично или полностью обособились от поставщиков энергоресурсов. Оказывается, получить почти дармовое топливо в условиях частного домохозяйства не представляет большой сложности.
Что такое биогаз и как его можно использовать?
Владельцам приусадебных хозяйств известно: сложив в кучу любое растительное сырье, птичий помет и навоз, через время можно получить ценное органическое удобрение. Но немногие из них знают, что биомасса разлагается не сама по себе, а под воздействием различных бактерий.
Перерабатывая биологический субстрат, эти крошечные микроорганизмы выделяют продукты жизнедеятельности, в том числе – газовую смесь. Большую часть ее (около 70%) составляет метан – тот самый газ, что горит в горелках бытовых плит и обогревательных котлов.
Идея использовать такое экотопливо для различных хозяйственных нужд не нова. Устройства по его добыче использовали еще в древнем Китае. Возможностью использовать биогаз занимались и советские новаторы в 60-х годах прошлого столетия. Но настоящее возрождение технология пережила в начале двухтысячных. На данный момент биогазовые установки активно используют в Европе и США для отопления домов и прочих нужд.
Как работает биогазовая установка?
Принцип работы устройства по выработке биогаза достаточно прост:
- в герметичную емкость загружают разбавленную водой биомассу, где она начинает «бродить» и выделять газы;
- содержимое резервуара регулярно обновляют – сливают переработанное бактериями сырье и добавляют свежее (в среднем около 5-10% ежедневно);
- скопившийся в верхней части резервуара газ по специальной трубке поступает на газосборник, а затем – на бытовые приборы.
Схема биогазовой установки.
Какое сырье подходит для биореактора?
Установки для получения биогаза рентабельны только там, где есть ежедневное пополнение свежей органики – навоза или помета домашнего скота и птицы. Также в биореактор можно подмешивать измельченную траву, ботву, листву и бытовые отходы (в частности, очистки от овощей).
Эффективность установки во многом зависит от типа загружаемого сырья. Доказано, что при одинаковой массе самый большой выход биогаза получается из свиного навоза и индюшиного помета. В свою очередь, экскременты коров и силосные отходы дают меньшее количество газа при такой же загрузке.
Использование биосырья для отопления дома.
Что нельзя использовать в биогазовой установке?
Существуют факторы, которые могут существенно снизить активность анаэробных бактерий, а то и вовсе приостановить процесс выработки биогаза. Нельзя допускать, чтобы внутрь резервуара попадало сырье с содержанием:
- антибиотиков;
- плесени;
- синтетических моющих средств, растворителей и прочей «химии»;
- смол (в том числе опилки хвойных деревьев).
Малоэффективно использовать уже гниющий навоз – загрузке подлежат только свежие или предварительно просушенные отходы. Также нельзя допускать переувлажнения сырья – показатель в 95% уже считается критическим. Впрочем, небольшое количество чистой воды в биомассу добавлять все же нужно – для того, чтобы облегчить ее загрузку и ускорить процесс брожения. Разводят навоз и отходы до консистенции негустой манной каши.
Биогазовая установка для дома
Сегодня промышленность уже выпускает установки для получения биогаза в промышленных масштабах. Их приобретение и монтаж обходится дорого, окупается такое оборудование в частных домохозяйствах не раньше, чем через 7-10 лет при условии, что для переработки будут использоваться большие объемы органики. Опыт показывает, что при желании небольшую биогазовую установку для частного дома мастеровитый хозяин может соорудить своими руками, причем из самых доступных материалов.
Готовим перерабатывающий бункер
В первую очередь понадобится герметично закрывающаяся емкость цилиндрической формы. Можно, конечно, использовать большие кастрюли или выварки, но их малый объем не позволить добиться достаточной выработки газа. Поэтому в этих целях используют чаще всего пластиковые бочки объемом от 1 м³ до 10 м³.
Изготовить такую можно самостоятельно. В продаже имеются листы из ПВХ, при достаточной прочности и стойкости к агрессивным средам они легко свариваются в конструкции нужной конфигурации. В качестве бункера можно использовать и металлическую бочку достаточного объема. Правда, придется провести антикоррозийные мероприятия – покрыть ее изнутри и снаружи устойчивой к воздействию влаги краской. Если резервуар сделан из нержавейки, этого делать не нужно.
Система отвода газа
Патрубок для отвода газа монтируют в верхней части бочки (как правило, в крышке) – именно там он скапливается, согласно законам физики. По подключенной трубе биогаз подается на гидрозатвор, далее – на накопитель (как вариант – с помощью компрессора в баллон) и к бытовым приборам. Рядом с газоотводом рекомендуется также вмонтировать спусковой клапан – если давление внутри резервуара станет слишком высоким, он выпустит лишний газ.
Система подачи и выгрузки сырья
Чтобы обеспечить непрерывное производство газовой смеси, бактерий в субстрате нужно постоянно (ежедневно) «подкармливать», то есть добавлять свежий навоз или другую органику. В свою очередь, уже переработанное сырье из бункера необходимо удалять, чтобы оно не занимало полезное место в биореакторе.
Для этого в бочке проделываются два отверстия – одно (для выгрузки) практически около дна, другое (для загрузки) повыше. В них ввариваются (впаиваются, вклеиваются) трубы диаметром не менее 300 мм. Загрузочный трубопровод направляют вверх и оборудуют воронкой, а слив обустраивают так, чтобы удобно было собирать переработанную жижу (ее впоследствии можно использовать как удобрение). Места стыков герметизируют.
Система подогрева
Теплоизоляция бункера.
Если биореактор будет установлен на улице или в неотапливаемом помещении (что необходимо по технике безопасности), то ему необходимо обеспечить теплоизоляцию и подогрев субстрата. Первое условие достигается путем «укутывания» бочки любым утепляющим материалом или углублением в землю.
Что же касается подогрева, то здесь можно рассматривать самые разные варианты. Одни умельцы заводят внутрь трубы, по которым циркулирует вода из отопительной системы и монтируют их вдоль стенок бочки в виде змеевика. Другие помещают реактор в больший по объему резервуар с водой внутри, подогреваемой электротенами. Первый вариант удобнее и гораздо экономичнее.
Для оптимизации работы реактора необходимо поддерживать температуру его содержимого на определенном уровне (не менее 38⁰C). Но если она поднимется выше 55⁰C, то газообразующие бактерии просто-напросто «сварятся», и процесс ферментации остановится.
Система перемешивания
Как показывает практика, в конструкциях ручная мешалка любой конфигурации значительно повышает эффективность биореактора. Ось, к которой приварены (прикручены) лопасти «миксера», выводится через крышку бочки. На нее в дальнейшем надевается ручка-ворот, отверстие тщательно герметизируется. Впрочем, такими приспособлениями домашние мастера обустраивают ферментаторы не всегда.
Получение биогаза
После того, как установка будет готова, в нее загружают биомассу, разведенную водой в соотношении примерно 2:3. Крупные отходы при этом должны быть измельчены – максимальный размер фракции не должен превышать 10 мм. Далее крышка закрывается – остается ждать, когда смесь начнет «бродить» и выделять биогаз. При оптимальных условиях первое поступление горючего наблюдается спустя несколько дней после загрузки.
О том, что газ «пошел», можно судить по характерному бульканью в водяном затворе. В это же время бочку стоит проверить на герметичность. Делается это с помощью обычного мыльного раствора – его наносят на все стыки и наблюдают, не появились ли пузыри.
Первое обновление биосырья нужно провести примерно через две недели. После того, как в воронку будет залита биомасса, из отводной трубы выльется такой же объем отработанной органики. Далее такую процедуру выполняют ежедневно или раз в два дня.
На сколько хватает полученного биогаза?
В условиях небольшого хозяйства биогазовая установка не станет абсолютной альтернативой природному газу и прочим доступным источникам энергии. Например, с помощью устройства емкостью 1 м³ можно получить топлива только на пару часов приготовления пищи для небольшой семьи.
А вот биореактором в 5 м³ уже можно отопить помещение площадью 50 м², но его работу нужно будет поддерживать ежедневной загрузкой сырья массой не менее 300 кг. Для этого необходимо иметь в хозяйстве примерно десять свиней, пять коров и пару десятков кур.
Мастера, у которых получилось самостоятельно смастерить действующие биогазовые установки, делятся видео с мастер-классами на просторах интернета:
Особенности переработки органических отходов в приусадебных биоустановках. Переработка органических отходов без доступа кислорода - высокоэффективный способ получения качественных органических удобрений и экологически чистого энергоносителя, которым является биогаз. Причем такой способ переработки отходов - абсолютно безопасный для окружающей среды.
Биогаз - это газ, который приблизительно на 60 % состоит из метана и на 40 % из углекислого газа (СО 2). Разнообразные виды микроорганизмов метаболизируют углерод из органических субстратов в безкислородных условиях (анаэробный) (табл.4).
|
Выход биогаза (м3) из одной тонны органического вещества |
|
|
Вид органического сырья |
Выход газа, м3 из тонны сырья |
|
Навоз КРС | |
|
Навоз свиней | |
|
Птичий помет | |
|
Конский навоз | |
|
Овечий навоз | |
|
Кукурузный силос | |
|
Травяной силос | |
|
Свежая трава | |
|
Листья сахарной свеклы | |
|
Силосованные листья сахарной свеклы | |
Это процесс так называемого гниения или безкислородного брожения.
Метановое сбраживание - это сложный анаэробный процесс (без доступа воздуха), который происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов и сопровождается рядом биохимических реакций. Температура сбраживания составляет 35 °С (мезофильный процесс) или 50°С (термофильный процесс). Этот метод стоит оценивать как локальное природоохранное мероприятие, которое в то же время улучшает и энергетический баланс хозяйства, поскольку при этом можно организовать малоотходное энергосберегающее хозяйство.
Во время переработки жидкого навоза влажностью до 90-91 % в установке метанового сбраживания получают три первичных продукта: обезвоженный шлам, биогаз, жидкие стоки. Обезвоженный шлам не имеет запаха, не содержит патогенной микрофлоры, всхожесть семян сорняков сведено к нулю. В целом обезвоженный шлам - это высококонцентрированное обеззараженное дезодорированное органическое удобрение, пригодное для непосредственного внесения в грунт. Он используется и как сырье для производства биогумуса. Метановое сбраживание позволяет повысить качество субстрата. Это происходит за счет того, что во время метанового брожения без доступа кислорода аммиачный азот переходит в аммонийную форму, что в дальнейшем, в процессе аэробной ферментации, обеспечивает уменьшение потерь азота. Полученный на основе сброженного навоза и помета субстрат способствует увеличению урожайности сельскохозяйственных культур на 15-40 %.
С 1920 года биогаз широкомасштабно получали из канализационных сточных вод. В европейских городах с 1937 года городские парки грузовиков начали переоборудовать для работы на биогазе. Во время второй мировой войны и в послевоенное время исследовалось и пропагандировалось производство биогаза из органических отходов. Из-за снижения стоимости нефти развитие биогазовых технологий в 60-х годах прекратилось. В странах, которые развиваются, приобрели распространения простые биогазовые установки. В Китае уже созданы миллионы таких установок - "приусадебного"типа. В Индии построено около 70 млн. установок. В развитых странах после кризиса 1973 года получили распространение крупнообъемные биогазовые установки. Появилась возможность быстро сбраживать канализационные стоки в анаэробных фильтрах при относительно низкой температуре брожения.
Среди многообразия биогазовых установок, которые сегодня работают во многих странах мира, встречаются установки с объемом реактора от нескольких до нескольких тысяч кубометров. Условно их можно разделить на:
Малые, или приусадебные - объем реактора до 20 м3;
Фермерские - 20-200 м3;
Средние - 200-500 м3;
Большие - свыше 500 м3
Преимущества биогазовых установок:
Агрономические - возможность получать высокоэффективные органические удобрения;
Энергетические - производство биогаза;
Экологические - обезвреживание негативного влияния отходов на окружающую среду;
Социальные - улучшение бытовых условий, что особенно актуально для жителей сельской местности.
Во многих странах широкомасштабно используют потенциал, который дает такой способ переработки отходов. К сожалению, в Украине еще и сейчас он остается несколько экзотичным и на практике применяется в единичных случаях, в частности для анаэробной переработки органических отходов на удобрение, что актуально в нынешних условиях. Даже энергетический кризис не стимулировал развитие этой технологии получения энергии, тогда как в некоторых странах, например Индии и Китае, уже длительное время действуют национальные программы переработки отходов в биоустановках. Весомый процент энергетических потребностей во многих странах Европы обеспечивает именно эта технология, а в Англии еще до 1990 года планировалось обеспечивать сельское население газом "собственного производства".
Рис 41. Биогазовая установка Рис 42. Индийская
в Эфиопии биогазовая установка
Не отбрасывая значение крупнообъемных установок, стоит обратить пристальное внимание на преимущества малых биогазовых установок. Они дешевые, доступные для строительства индивидуальным и промышленным способами, простые и безопасные в обслуживании, а продукты переработки в них органических отходов - биогаз и высококачественные органические удобрения - можно использовать непосредственно на потребности фермерского хозяйства без расходов на их транспортировку.
К преимуществам малых биогазовых установок следует отнести доступность местных материалов для сооружения установки, возможность обслуживания силами владельца, отсутствие потребности в учете, транспортировке на далекие расстояния и подготовке к использованию биогаза.
Небольшие биогазовые установки имеют и определенные недостатки, сравнительно с большими. Здесь тяжелее автоматизировать и механизировать процессы подготовки субстрату и работу самих установок, проблематичным является измельчение субстрату, его подогрев, загрузка и разгрузка, хранение до и после обработки, которая предопределяет потребность в емкостях для складирования ферментированных отходов. Кроме того, чтобы довести субстрат до необходимой для ферментации концентрации, следует иметь еще одну емкость и определенное количество воды. Для уменьшения затрат воды стоит предусмотреть возможность ее повторного использования. Возникают проблемы и с обезвоживанием ферментированной массы. Чаще всего узлы, которые используются для механизации работ (измельчение, смешивание, подогрел, подача продуктов переработки и тому подобное) на больших установках, непригодны к применению на малых из-за своих технических параметров и высокой стоимости.
Приусадебные установки производят небольшие объемы биогаза, потому более сложно организовать процессы его обезвоживания и очистки от примесей негорючих составляющих.
К проблемам эксплуатации малых биогазовых установок следует отнести неравномерность процесса получения биогаза в разные времена года. В летний период эксплуатации проблемы возникают из-за того, что на подогрев субстрата при наличии газового нагревателя будет тратиться меньше биогаза собственного производства, его товарное количество будет большим чем в зимний период. Летом, когда животных выгоняют на пастбище, уменьшается и количество отходов - сырья для работы биореактора. В составе таких установок нецелесообразно предусматривать узлы для значительного накопления биогаза - когда газа будет производиться больше чем нужно для хозяйства, его придется просто выпускать в атмосферу.
Но невзирая ни на что, анаэробная переработка органических отходов - высокоэффективный и выгодный способ получения качественных органических удобрений и экологически чистого энергоносителя. Малые приусадебные биогазово-гумусные установки с реактором до 20 м3 можно рекомендовать к установке практически на каждом сельском дворе, где накапливаются органические отходы.
Среди основных современных тенденций развития биогазовых технологий можно выделить такие:
Сбраживание поликомпонентных субстратов;
Применение "сухого" типа анаэробной ферментации для производства биогаза из энергетических растительных культур;
Создание централизованных биогазовых станций большой производительности и тому подобное.
Существуют четыре основных типа реализации технологии анаэробного сбраживания, а именно: крытые лагуны и метантанки, работающие в режиме реактора-смесителя и реактора с носителем биомассы. Техническая и экономическая целесообразность применения того или иного типа зависит, главным образом, от влажности субстратов и климатических условий в районе расположения биогазовой установки. Тип примененного биореактора отражается на общей длительности процесса метанизации.
Крытые лагуны целесообразно применять в условиях теплого и умеренного климата - для жидких навозных стоков, которые не содержат включений со значительной гидравлической крупностью. Такие реакторы специально не обогреваются, а потому их считают не интенсивными. Длительность распада органического вещества к стабилизации отходов значительно превышает аналогичную в реакторах с интенсивным режимом сбраживания.
К реакторам с интенсивным режимом сбраживания относят обогревающиеся реакторы разных типов. Существуют два принципиальных отличия между конструкциями таких реакторов, которые зависят от характеристики сбраживаемых субстратов. В реакторах первого типа сбраживают преимущественно субстраты с доминированием жидких навозных отходов. Самый распространенный тип таких реакторов - цилиндрические бетонные или стальные с центральной колонной, перекрытые эластичной мембраной, которая служит для герметизации сооружения и накопления образуемого биогаза. Такие реакторы работают по принципу полного смешивания, когда каждая свежая порция смеси исходных субстратов смешивается со всей сбраживаемой массой реактора. Принципиальная конструкция таких реакторов отображена на рисунке 43.
Рис.43 . Вертикальный тип метантанка
2 - перелив субстрата;
3 - помпа подачи воздуха;
4 - теплоизоляция метантанка;
5 - центральная колонна, которая поддерживает мембрану газгольдера от падения;
6 - перемешивающее устройство;
7 - привод перемешивающего прибора;
8 - площадка обслуживания;
9 - мембрана газгольдера;
10 - уровень наполнения метантанка;
11 - высота поднятия мембраны газгольдера;
12 - подогревательные трубопроводы
Другой тип реакторов для жидких субстратов - горизонтального типа, работающие по принципу вытеснения. В таких сооружениях исходная смесь субстрата подается с одной стороны, а отводится из другого. При этом органическое вещество испытывает последовательные превращения за счет консорциума микроорганизмов, уже имеющихся в исходном субстрате. Такие реакторы можно считать менее эффективными по интенсивности процесса, однако в них, за счет разнесения в пространстве точек входа свежих субстратов и выхода сброженных, удается минимизировать риск выхода вместе со сброженным субстратом (который удаляется из метантанка) несброженной порции свежих субстратов. Реакторы такого типа целесообразно применять для небольших объемов сбраживаемых субстратов.
Реакторы следующего типа предназначены для метанизации сухих органических смесей, в которых преобладают косубстраты из энергетических растительных культур. Реакторы такого типа приобретают распространения вместе с распространением технологий "сухой" ферментации энергетических культур растений. Характерной особенностью таких метантанков является то, что их проектируют как реакторы полного вытеснения.
Из технологических позиций процесс получения биогаза из органического вещества является многостадийным. Он состоит из процесса подготовки субстратов к сбраживанию, процесса биологического разложения вещества, дображивания (по желанию), обработки сброженного субстрата и добытого биогаза, подготовки их к использованию или утилизации на месте. На рисунке 2 приведена принципиальная технологическая схема типичной фермерской биогазовой станции для совместного сбраживания навозных отходов и органических косубстратов.
Рис. 44 . Принципиальная технологическая схема типичной фермерской биогазовой станции
Подготовка субстрата к сбраживанию предусматривает сбор и гомогенизацию (перемешивание) субстрата. Для сбора субстрата, в зависимости от его проектного количества, строят накопительную емкость, обустроенную специальным перемешивающим устройством и помпой, которая в дальнейшем будет подавать подготовленный субстрат к реактору (метантанку). В зависимости от типов субстратов, система подготовки вещества может быть усложнена модулями измельчения или стерилизации косубстратов (при необходимости).
После предварительной подготовки предварительно рассчитанное количество субстрата перекачивают с помощью насосов системой трубопроводов к реактору. В реакторе (метантанке) субстрат поддается деструкции при участии микробиоценоза на протяжении расчетного времени, в зависимости от избранного температурного режима. Метантанк оборудуют системой подогревательных трубопроводов, перемешивающим устройством (для устранения возможности расслоения среды и возникновения корки, равномерного деления питательных для микробиологической среды веществ и выравнивания температуры субстрата), системами отвода добытого биогаза и отвода сброженного субстрата. Кроме того, метантанк оборудуют системой подачи воздуха, небольшое количество которого нужно для очистки биогаза от сероводорода биохимическим осаждением.
Степень распада органического вещества на момент завершения активного газообразования приближается до 70-80%. В этом состоянии сброженная органическая масса может подаваться на систему сепарации для деления на твердую и жидкую части в специальном сепараторе.
Для утилизации добытого биогаза существует несколько схем, основным из которых является сжигание биогаза в когенерационной установке непосредственно на объекте, с добычей электроэнергии и теплоты, которые используются на собственные потребности фермы и биогазовой станции. Кроме того, часть электрической энергии передается в электросети.
Основным субстратом при анаэробном сбраживании, как правило, является навоз животных и птицы, а также отходы убойных цехов. Субстраты такого происхождения содержат больше всего микроорганизмов, необходимых для организации и хода процесса метанового брожения, поскольку они присутствуют уже в желудке животных.
Как свидетельствует опыт Германии, большинство установок работают на смеси косубстратов с разным их дольным соотношением. В стране реализовали специальную программу сбора данных из более чем 60 показательных работающих биогазовых станций и проанализировали их. Существуют достаточно много станций (около 45%), где в качестве основного субстрата используют навоз объеме 75-100% от общего объема смеси. Вместе с тем есть также много станций, где содержание навозных стоков менее 50%. Это указывает на то, что биогазовые установки в Германии при производстве биогаза в значительной мере используют потенциал не только навозных отходов, но и разнообразных дополнительных косубстратов.
Анализ данных о производстве биогаза на этих станциях показал, что с увеличением частицы косубстратов в смеси увеличивается удельный выход метана. Самым распространенным среди косубстратов разных типов является силос кукурузы. Его закупают у фермеров в измельченном виде, готовом к загрузке в реакторы, и складируют на открытых огражденных площадках. Кроме силоса кукурузы, достаточно широко используют и травяной силос, полову зерновых, жировые отходы, скошенную траву, молочную сыворотку, пищевые и овощные отходы и тому подобное.
В сознании украинского фермера биогазовая установка крепко связана исключительно с переработкой отходов больших ферм. Главным стимулом для строительства БГУ в Украине, чаще всего не слишком эффективным, остается необходимость очистки сточных вод. Интересной для фермера является и возможность получения высококачественных органических удобрений. Энергетические аспекты получения биогаза остаются недоиспользованными из-за низких тарифов на электрическую и тепловую энергию, в результате чего окупаемость БГУ за счет продажи энергии оказывается очень низкой.
Конечно, для того, чтобы биогазовые технологии начали активно развиваться, нужно узаконить систему "зеленых" тарифов на все виды возобновляемой электрической и тепловой энергии, как это уже состоялось во многих странах мира, и не только в развитых.
Другой путь повышения эффективности биогазовых установок заключается в активном использовании для сбраживания дополнительных субстратов, например силоса кукурузы. Прекрасным примером эффективной биогазовой установки является БГУ немецкой компании Енвитек Биогаз. Стандартная БГУ компании комплектуется реактором 2500 м3 и когенерационной установкой электрической мощностью 500 кВт. Базовым поставщиком сырья для такой установки может быть обычная для Германии свиноферма с поголовьем 5000 свиней. Повышение выхода биогаза достигается за счет добавления силоса кукурузы. Для непрерывной работы установки на протяжении года нужно 6000 тонн силоса, или 300 гектаров земли при урожайности силоса 20 т/га.
|
Краткая техническая характеристика биогазовых компании ООО |
Биодизельднепр" | ||||||
|
Марка установки |
Объем реактора, м 3 |
Установленная мощность |
Выход биогаза |
Производство электроэнергии, кВт |
Производство тепла, кВт |
Биобензин |
|
Жидкие стоки - обеззараженная дезодорирована жидкость, которая содержит до 1 % зависших веществ и имеет в составе удобряющие элементы. Фугат - прекрасная органическая подпитка для сельскохозяйственных культур, использование которой удобно как при поливе, так и при орошении. После доочистки жидкие стоки можно использовать даже как техническую воду.
Биогаз используется для производства электрической и тепловой энергии. Сжигая 1 м3 биогаза, можно получить 2,5-3 кВт/час электроэнергии и 4-5 кВт тепловой энергии. При этом 40-60 % биогаза используется на технологические потребности установки. Биогаз под давлением 200-220 атм. можно использовать для заправки автотранспорта.
Кроме производства энергии и удобрений при сбраживании отходов, биогазовые установки исполняют роль очистных сооружений - уменьшают химическое и бактериологическое загрязнение почвы, воды, воздуха и переделывают органические отходы в нейтральные минерализованные продукты. Сравнительно с энергией малых рек, ветровой и солнечной энергией, где установки используют экологически чистые источники энергии (пассивно чистые установки), биоэнергетические установки (БЭУ) являются активно чистыми, что устраняет экологическую опасность продуктов, которые являются для них сырьем.
В мире используются много типов биогазовых установок. Они содержат устройства для приема навоза растительной массы, метатанки и энергосиловые блоки.
Отличаются между собой метантанки конструкцией устройств для перемешивания массы во время сбраживания. Самое частое перемешивание осуществляют с помощью вала с лопастями, который обеспечивает послойное перемешивание сбраживаемой массы. Кроме того, перемешивают гидравлическими и механическими устройствами, которые обеспечивают забор массы из нижних слоев метантенка и подачу в верхнюю часть. Биогазовые установки, которые работают в интенсивном режиме, имеют камеры аэробного (кислородного) брожения, где происходит подготовка массы к сбраживанию, и анаэробному (метанового) брожению. Есть также устройства для перемешивания массы, выполненные в виде вала с лопатками, размещенного по вертикальной оси корпуса и прикрепленного к верхней части плавающего газового колпака. Перемешивание массы в реакторе происходит за счет вращения вала с лопатками и перемещения плавающего перекрытия. Некоторые устройства обеспечивают лишь разбивание корки, которая образуется на поверхности массы обрабатываемой детали. Перемешивания достигают также путем использования перегородок и сифона двустороннего действия, которое обеспечивает попеременное переливание массы из нижней зоны одной секции в верхнюю второй и, наоборот, за счет регуляции давления газа. Иногда метантанки выполняет в виде сферы или цилиндра, которые должны возможность вращаться вокруг своей геометрической оси.
В Украине в связи с резким подорожанием природного газа, исчерпаемости его ресурсов усилился интерес к биогазовым технологиям. На сегодня в усадьбах и небольших фермерских хозяйствах страны еще не используют небольшие биогазовые установки. В то же время, например, в Китае и Индии построены и успешно эксплуатируются миллионы мелких метантанков. В Германии из 3711 действующих биогазовых установок около 400 составляют фермерские биогазовые установки, в Австрии их более 100.
Рис.45. Немецкая биогазовая установка (фермерская)
Рис.46 Схема биогазовой установки для фермерского хозяйства :
1 - сборники для гноя (схематически); 2 - система загрузки биомассы; 3- реактор 4 реактор досбраживания; 5 - субстратор; 6 - система отопления; 7 - силовая установка; 8 - система автоматики и контроля; 9 - система газопроводов.
Рис.47 Схема биогазовой установки для фермерского хозяйства
По показаниям ветеранов Великой Отечественной войны, во время освобождения Румынии они видели на многих крестьянских дворах небольшие примитивные биогазовые установки, которые производили биогаз, используемый для бытовых потребностей.
Из небольших биогазовых установок следует назвать установки, разработанные компанией ООО "Биодизельднепр" (г. Днепропетровск). Они предназначены для переработки путем анаэробного сбраживания (без доступа кислорода) органических отходов приусадебных и фермерских хозяйств. Такие установки позволяют перерабатывать ежесуточно 200-4000 кг отходов в непрерывном режиме или 1000-20000 кг- циклический, на протяжении пяти суток. При этом, обеспечивается получение не менее 3м3 биогаза на 1 м3 объема реактора, который может быть использован в установках для получения тепла или электроэнергии, необходимой для покрытия энергетических потребностей установки; для систем газообеспечения (освещение помещений, приготовления еды), отопления и горячего водообеспечения хозяйства; в установках синтеза биоэтанола и биодизельного топлива, а также соответствующего количества высококачественного органического удобрения, готового для внесения в почву.
Производственно-коммерческая фирма "Днепр-Десна» (г. Днепропетровск) разработала малую биоэнергетическую установку "Биогаз-6МГС 2", предназначенную для частного хозяйства (3-4 коровы, 10-12 голов свиней, 20-30 голов птицы). Производительность этой установки составляет приблизительно 11 м 3 биогаза за сутки. Такое количество газа покрывает потребности в отоплении помещения площадью 100 м 2 и горячей воде для семьи из пяти человек.
Заслуживает на внимание опыт внедрения небольшой биогазовой установки в поселке Лески Кенийского района Одесской обл. Биогазовая установка разработана и изготовлена частной фирмой в Днепропетровске.
Установка монтировалась в пределах реализации проекта "Модель утилизации отходов животноводства в регионе дельты Дуная", разработанного группой одесских неправительственных организаций в рамках программы малых экологических проектов при финансовой поддержке британского фонда окружающей "среды для Европы" и при содействии министерства по делам охраны окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства Британии и британского совета.
При нормальной загрузке и эксплуатации биогазовая установка, объем реактора которой составляет 3 м3, сможет выдавать до 3 м3 биогаза в сутки за счет переработки отходов от 100 голов птицы, или от 10 свиней, или от 4 коров. Это минимальные требования к работе установки.
Реактор установлен на поверхности земли. Это связано, во-первых, с конструкцией реактора. Загрузка в него биологического сырья осуществляется снизу, через экструдер, а сливание отработанного материала - через верх, что и отличает отмеченную конструкцию от других, в которых загрузка идет сверху, а отбор - снизу. Второй причиной наземного размещения является высокий уровень почвенных вод в селе - на глубине 50 см. Зимой подогрев навоза в реакторе осуществляется за счет электроэнергии, а летом хватает энергии солнца.
Получаемый газ используется, в первую очередь, для приготовления еды - газопровод подведен к летней кухне. Нужно поддерживать в реакторе температуру 30-35°С и следить за выработкой биогаза. Переработанный в биореакторе навоз необходимо выгружать своевременно.
Как уже отмечалось, в западной Европе в фермерских хозяйствах животноводческого направления широко внедряются биогазовые установки. Особенностью таких установок является введение в их состав энергосиловых блоков, где биогаз превращается в электроэнергию, и использование, кроме навоза, растительной массы.
Для подачи растительной массы в метантанки целесообразно использовать небольшие питатели. Вместимость приемного бункера такого питателя составляет 4 м3, общая длина конвейера - 6 м; мощность привода - 7,5 кВт.
Для комплектации фермерских биогазовых установок может быть эффективно использован мини-энергосиловой блок "С-ВОХ50". Электрическая мощность такого энергосилового блока составляет от 25 до 48 кВт; тепловая мощность - от 49 до 97 кВт.
Германия предлагает небольшие компактные биогазовые установки мощностью 30 и 100 кВт, которые рассчитаны на использование навоза и кукурузного силоса. Установка на 30 кВт включает накопитель-погрузчик на 5 м3 твердой органической массы, бетонный ферментер на 315 м3 и УШ-газовый мотор мощностью 30 кВт электрической и 46 кВт тепловой энергии. Для обеспечения работы биогазовой установки на 30кВт в случае использования смеси 50 % навоза и 50 % силоса необходимо иметь 5-7 га кукурузы. Установка на 100 кВт имеет приемник-питатель кукурузного силоса вместимостью до 20 м3, ферментатор вместимостью 1200 м3 и газмотор имей мощностью 100 кВт электрической и 108 кВт тепловой энергии. При использовании для обеспечения работы биогазовой установки на 100 кВт смеси 50 % навоза и 50 % кукурузного силоса нужно иметь 30 га кукурузы.
Следует отметить, что, внедряя биогазовые установки, зарубежные фирмы применяют индивидуальный подход к каждому фермеру. Для конкретного хозяйства, после соответствующего обследования имеющихся видов и ресурсов биомассы и определения основных целей использования установки, разрабатывается или подбирается соответствующая технология (технологический режим), на основе чего проектируется установка (технологическая линия). Комплектация зависит от избранной технологии. Большинство фирм разрабатывают и монтируют биогазовые установки "под ключ". Большое внимание при использовании биогазовых установок уделяется технологиям подготовки биомассы к сбраживанию, поскольку от качества сырья зависят энергетические показатели. Для эффективного управления биогазовой установкой целесообразно использовать измерительную и регулировочную техники.
Наиболее эффективной технологией считается сбраживание с превращением энергии биогаза в электрическую и тепловую.
Одна из задач, которую приходится решать в сельском хозяйстве — утилизация навоза и растительных отходов. И это довольно серьезная проблема, которая требует постоянного внимания. На утилизацию уходят не только время и силы, но и приличные суммы. Сегодня есть, как минимум, один способ, позволяющий эту головную боль превратить в статью дохода: переработка навоза в биогаз. В основе технологии лежит природный процесс разложения навоза и растительных остатков за счет содержащихся в них бактерий. Вся задача в создании особых условий для наиболее полного разложения. Эти условия — отсутствие доступа кислорода и оптимальная температура (40-50 o C).
Все знают, как чаще всего утилизируют навоз: складывают в кучи, потом, после ферментации, вывозят на поля. В этом случае образовавшийся газ выделяется в атмосферу, туда же улетает и 40% содержащегося в исходном веществе азота и большая часть фосфора. Получающееся в результате удобрение далеко не идеально.
Для получения биогаза необходимо чтобы процесс разложения навоза проходил без доступа кислорода, в закрытом объеме. В этом случае и азот, и фосфор остаются в остаточном продукте, а газ скопится в верхней части емкости, откуда его легко выкачать. Получаются два источника прибыли: непосредственно газ и эффективное удобрение. Причем удобрение высшего качества и безопасное на 99%: большая часть болезнетворных микроорганизмов и яйца гельминтов погибают, содержащиеся в навозе семена сорных трав теряют всхожесть. Существуют даже линии по расфасовке этого остатка.
Второе обязательное условие процесса переработки навоза в биогаз — это поддержание оптимальной температуры. Содержащиеся в биомассе бактерии, при низких температурах малоактивны. Они начинают действовать при температуре среды от +30 o C. Причем в навозе содержатся бактерии двух типов:
Термофильные установки с температурой от +43 o C до +52 o C являются наиболее эффективными: в них навоз обрабатывается 3 дня, на выходе с 1 литра полезной площади биореактора получается до 4,5 литров биогаза (это максимальный выход). Но на поддержание температуры в +50 o C требуются значительные расходы энергии, что не в каждом климате рентабельно. Потому чаще биогазовые установки работают на мезофильных температурах. В этом случае время переработки может составлять 12-30 дней, выход — примерно 2 литра биогаза на 1 литр объема биореактора.
Состав газа меняется в зависимости от сырья и условий переработки, но примерно он следующий: метан — 50-70%, двуокись углерода — 30-50%, а также содержится небольшое количество сероводорода (менее 1%) и совсем небольшой количество аммиака, водорода и соединений азота. В зависимости от конструкции установки в биогазе могут содержаться в значительном количестве пары воды, что потребует их осушения (в противном случае он просто не будет гореть). Как выглядит промышленная установка продемонстрировано в видео.
Это можно сказать целый завод по выработке газа. Но для частного подворья или небольшой фермы такие объемы ни к чему. Простейшую биогазовую установку легко сделать своими руками. Но вот вопрос: «Куда дальше направлять биогаз?» Теплота сгорания получаемого в результате газа от 5340 ккал/м3 до 6230 ккал/м3 (6,21 — 7,24 кВт.ч/м3). Потому его можно подавать на газовый котел для выработки тепла (отопление и горячая вода), или на установку по выработке электричества, на газовую печку и т.д. Вот как использует навоз от своей перепелиной фермы Владимир Рашин — конструктор биогазовой установки.
Получается, что имея хоть какое-то более-менее приличное количество скота и птицы, можно самому полностью обеспечить потребности своего хозяйства в тепле, газе и электричестве. А если установить на автомобили газовые установки, то и топливом для автопарка. Учитывая, что доля энергоносителей в себестоимости продукции 70-80% вы сможете только на биореакторе сэкономить, а потом и заработать множество денег. Ниже приведен скриншот экономического расчета рентабельности биогазовой установки для небольшого хозяйства (по состоянию на сентябрь 2014). Хозяйство мелким не назовешь, но и не крупное однозначно. Просим прощения за терминологию — это авторский стиль.
Это примерный расклад требуемых затрат и возможных доходов Схемы самодельных биогазовых установок
Схемы самодельных биогазовых установок
Простейшая схема биогазовой установки — это герметичная емкость — биореактор, в который сливается подготовленная жижа. Соответственно есть люк загрузки навоза и люк выгрузки переработанного сырья.
Простейшая схема биогазовой установки без «наворотов»
Емкость заполняется субстратом не полностью: 10-15% объема должно оставаться свободным для сбора газа. В крышку бака встраивается труба для отведения газа. Так как в полученном газе содержится довольно большое количество водяных паров, гореть в таком виде он не будет. Потому необходимо его для осушения пропустить через гидрозатвор. В этом нехитром устройстве большая часть водяного пара сконденсируется, и газ уже будет хорошо гореть. Потом газ желательно очистить от негорючего сероводорода и только потом его можно подавать в газгольдер — емкость для сбора газа. А оттуда уже можно разводить к потребителям: подавать на котел или газовую печь. Как сделать фильтры для биогазовой установки своими руками смотрите в видео.
Большие промышленные установки размещают на поверхности. И это, в принципе, понятно — слишком велики объемы земельных работ. Но в небольших хозяйствах чашу бункера закапывают в землю. Это во-первых, позволяет снизить затраты на поддержание требуемой температуры, а во-вторых, на частном подворье и так достаточно всяких устройств.
Емкость можно взять готовую, или в вырытом котловане сделать из кирпича, бетона и т.д. Но придется в этом случае позаботиться о герметичности и непроходимости воздуха: процесс анаэробный — без доступа воздуха, потому необходимо создать непроницаемую для кислорода прослойку. Сооружение получается многослойным и изготовление такого бункера длительный и затратный процесс. Потому дешевле и проще закопать готовую емкость. Раньше это обязательно были металлические бочки, часто из нержавейки. Сегодня с появлением на рынке емкостей из ПВХ можно использовать их. Они химически нейтральны, имеют низкую теплопроводность, длительный срок эксплуатации, и стоят в разы дешевле нержавеек.
Но описанная выше биогазовая установка будет иметь малую производительность. Для активизации процесса переработки необходимо активное перемешивание массы, находящейся в бункере. В противном случае на поверхности или в толще субстрата образуется корка, которая замедляет процесс разложения, газа на выходе получается меньше. Перемешивание проводится любым доступным способом. Например, таким, как продемонстрировано в видео. Привод при этом можно сделать любой.
Есть еще один способ перемешивания слоев, но немеханический — барбитация: вырабатываемый газ под давлением подают в нижнюю часть емкости с навозом. Поднимаясь вверх, пузырьки газа будут разбивать корку. Так как подается все тот же биогаз, то никаких изменений условий переработки не будет. Также этот газ нельзя считать расходом — он снова попадет в газгольдер.
Как говорилось выше, для хорошей производительности необходима повышенная температура. Чтобы не особенно тратиться на поддержание этой температуры необходимо позаботиться об утеплении. Какого типа теплоизолятор выбирать, конечно, дело ваше, но сегодня самый оптимальный — пенополистирол. Он не боится воды, не поражается грибками и грызунами, имеет длительный срок эксплуатации и отличные показатели по теплоизоляции.
Формы биореактора могут быть разные, но чаще всего встречается цилиндрическая. Она неидеальна с точки зрения сложности перемешивания субстрата, но используется чаще, потому что у людей накоплен большой опыт построения подобных емкостей. А если такой цилиндр разделить перегородкой, то можно использовать их как два отдельных резервуара, в которых процесс смещен по времени. При этом в перегородку можно встроить нагревательный элемент, таким образом решив проблему поддержания температуры сразу в двух камерах.
В самом простом варианте самодельные биогазовые установки — это прямоугольной формы яма, стенки которой сделаны из бетона, а для герметичности обработаны слоем стеклопластика и полиэфирной смолы. Такая емкость снабжается крышкой. Она крайне неудобна в эксплуатации: трудно реализуется и подогрев, перемешивание и отведение сбродившей массы, добиться полной переработки и высокой эффективности невозможно.
Чуть лучше обстоит дело с траншейными биогазовыми установками переработки навоза. Они имеют скошенные края, что облегчает загрузку свежего навоза. Если сделать дно под уклоном, то в одну сторону самотеком будет смещаться сбродившая масса и отбирать ее будет проще. В таких установках нужно предусмотреть теплоизоляцию не только стен, но и крышки. Подобная биогазовая установка своими руками реализуется несложно. Но полной переработки и максимального количества газа в ней не добиться. Даже при условии подогрева.
С основными техническими вопросами разбирались, и вы теперь знаете несколько способов того, как построить установку для получения биогаза из навоза. Остались технологические нюансы.
Что можно перерабатывать и как добиться хороших результатов
В навозе любого животного имеются необходимые для его переработки организмы. Было обнаружено, что в процессе сбраживания и в выработке газа участвует более тысячи различных микроорганизмов. Важнейшую роль при этом играют метанобразующие. Также считается, что все эти микроорганизмы в оптимальных пропорциях находятся в навозе КРС. Во всяком случае, при переработке этого вида отходов в сочетании с растительной массой, выделяется самое большое количество биогаза. В таблице приведены усредненные данные по наиболее распространенным видам сельскохозяйственных отходов. Примите во внимание, что такое количество газа на выходе можно получить при идеальных условиях.
Для хорошей продуктивности необходимо поддерживать определенную влажность субстрата: 85-90%. Но воду при этом нужно использовать не содержащую посторонних химических веществ. Негативно на процессы влияют растворители, антибиотики, моющие средства и т.д. Также для нормального протекания процесса в жиже не должны содержаться крупные фрагменты. Максимальные размеры фрагментов: 1*2 см, лучше более мелкие. Потому если вы планируете добавлять растительные ингредиенты, то необходимо их измельчать.
Важно для нормальной переработки в субстрате поддерживать оптимальный уровень рН: в пределах 6,7-7,6. Обычно среда имеет нормальную кислотность, и лишь изредка кислотообразующие бактерии развиваются быстрее метанобразующих. Тогда среда становится кислой, выработка газа снижается. Для достижения оптимального значения в субстрат добавляют обычную известь или соду.
Теперь немного о времени, которое необходимо на переработку навоза. Вообще время зависит от созданных условий, но первый газ может начать поступать уже на третьи сутки после начала сбраживания. Наиболее активно газообразование происходит при разложении навоза на 30-33%. Чтобы можно было ориентироваться по времени, скажем, что через две недели субстрат разлагается на 20-25%. То есть, оптимально переработка должна продолжаться месяц. В этом случае и удобрение получается наиболее качественным.
Расчет объема бункера для переработки
Для небольших хозяйств оптимальной является установка постоянного действия — это когда свежий навоз поступает небольшими порциями ежедневно и такими же порциями удаляется. Для того чтобы процесс не нарушался доля ежесуточной загрузки не должна превышать 5% от перерабатываемого объема.
Самодельные установки по переработке навоза в биогаз — не вершина совершенства, но достаточно эффективны
Исходя из этого, вы легко определите требуемый объем резервуара для самодельной биогазовой установки. Вам нужно суточный объем навоза с вашего хозяйства (уже в разведенном состоянии с влажностью 85-90%) умножить на 20 (это для мезофильных температур, для термофильных придется умножать на 30). К полученной цифре нужно добавить еще 15-20% — свободное пространство для сбора биогаза под куполом. Основной параметр вы знаете. Все дальнейшие расходы и параметры системы зависят от того, какая схема биогазовой установки выбрана для реализации и как вы все будете делать. Вполне можно обойтись подручными материалами, а можно заказать установку «под ключ». Заводские разработки обойдется от 1,5 млн. евро, установки от «Кулибиных» будут дешевле.
Юридическое оформление
Согласовывать установку придется с СЭС, газовой инспекцией и пожарниками. Вам понадобятся:
- Технологическая схема установки.
- План размещения оборудования и составляющих с привязкой самой установки, местом установки теплового агрегата, места прокладки трубопроводов и энергомагистралей, подключения насоса. На схеме должны быть обозначены громоотвод и подъездные пути.
- Если установка будет находиться в помещении, то необходим также будет план вентиляции, которая будет обеспечивать не менее чем восьмикратный обмен всего воздуха в помещении.
Как видим, без бюрократии и тут не обойтись.
Напоследок немного о производительности установки. В среднем за сутки биогазовая установка выдает объем газа в два раза превышающий полезный объем резервуара. То есть, 40 м 3 навозной жижи дадут в сутки 80 м 3 газа. Примерно 30% уйдет на обеспечение самого процесса (главная статья расходов — подогрев). Т.е. на выходе вы получите 56 м 3 биогаза в день. Для покрытия потребностей семьи из трех человек и на отопление среднего по размерам дома требуется по статистике 10 м 3 . В чистом остатке у вас 46 м 3 в день. И это при небольшой установке.
Итоги
Вложив некоторое количество средств в устройство биогазовой установки (своими руками или под ключ), вы не только обеспечите собственные нужды и потребности в тепле и газе, но и сможете продавать газ, а также получающиеся в результате переработки высококачественные удобрения.
Возрастающая популярность альтернативных методов получения тепловой и электрической энергии привела к желанию многих владельцев загородных домов и коттеджей получить определенную автономию от внешних поставщиков энергии. Тем более, что «покупная» энергия проявляет постоянную тенденцию к повышению цены, и содержание загородного хозяйства с каждым днем обходится все дороже. Установка для получения биогаза является отличной альтернативой для внешних энергетических источников. Как минимум, она может обеспечить дом горючим газом для плиты, а при повышении мощности (если в наличии имеется достаточно своих или покупных отходов) – обеспечить и отопление, и электроэнергию как для дома, так и для всего приусадебного хозяйства.
Кому нужны биогазовые установки
Биогазовые установки используются для получения горючих газов из биологического сырья. Так что нужны они везде, где требуется использовать горючие газы. То есть, для получения тепловой и электрической энергии.
В первую очередь биогазовые установки необходимы для тех хозяйств, где имеется много сырья в виде биологических отходов. Таким образом можно не только сделать производство безотходным, но и значительно повысить его рентабельность – за счет самостоятельного производства энергии, отсутствия затрат на приобретение как тепловой, так и электрической энергии.
Владимир Рашин, конструктор биогазовой установки и фермер из Перми, на собственном опыте доказал, что аграрное производство, самостоятельно утилизирующее отходы с помощью соответствующего устройства, полностью обеспечивает свои потребности в тепловой и электрической энергии, а также в горючем газе. В его перепелином хозяйстве биогаз используется для обогрева помещений (как жилых, так и подсобных и производственных), для выработки электроэнергии, в кухонных плитах, а также для заправки автотранспорта – все автомобили фермы Рашина работают на биогазе. В данном случае основным сырьем для биогазовой установки является перепелиный помет. На выходе, кроме биогаза, получается еще и органическое удобрение, которое тоже приносит ферме дополнительный доход.
Биогазовые установки, подобные установке Владимира Рашина, могут значительно повысить рентабельность любого сельскохозяйственного производства. В качестве сырья для получения биогаза может быть использован не только навоз, но и различные отходы деревообрабатывающих производств (кора, опилки и так далее), и практически любые органические вещества.
Кроме того, биогазовые установки могут использоваться и в загородных домах и коттеджах, даже при отсутствии у таких хозяйств фермерской направленности. Бытовых отходов любого хозяйства будет достаточно, чтобы обеспечить сырьем индивидуальную биогазовую установку, и если не обеспечить хозяйство полностью тепловой и электрической энергией, то по крайней мере снизить затраты на приобретение такой энергии. К тому же, кроме бытовых отходов в любом загородном хозяйстве имеются еще и отходы с приусадебного участка (сорняки, обрезки веток и так далее). Ну а обеспечить горючим газом кухонную плиту можно даже с помощью мини-биогазовой установки в дачных условиях.
Принцип получения биогаза
Получение биогаза осуществляется путем анаэробного (то есть, без доступа кислорода) сбраживания биомассы, которое обеспечивается специальными бактериями. В процессе участвуют три вида бактерий: гидролизные, кислотообразующие и метанобразующие.
Биогазовая установка состоит из нескольких частей (емкостей). Сначала сырье поступает в предварительную емкость, где тщательно перемешивается и измельчается (в случае твердой фракции) до однородной массы. Затем измельченное сырье поступает в реактор (емкость, где осуществляется непосредственно брожение биомассы).
Реактор обычно изготавливается из железобетона, обладающего кислотоустойчивостью. Эта емкость полностью герметична. Для того, чтобы ускорить процесс брожения, жидкость в емкости подогревается и перемешивается. Чаще всего для обогрева реактора используется когенерационная установка – в такой установке необходимо охлаждение теплоэлектрогенератора, и отведенное тепло поступает в реактор. Также тепло может поступать от специального водогрейного котла.
После того, как процесс брожения завершен, из реактора выработанный газ поступает в газгольдер, где выравнивается давление, а затем биогаз поступает уже в теплоэлектрогенератор (газовый или дизель-газовый), в результате чего и производится тепловая или электрическая энергия.
Кроме биогаза в реакторе оседает твердая фракция – органические удобрения, которые затем могут быть использованы на полях. Также из реактора получают жидкие удобрения – после выделения газа. И жидкие, и твердые удобрения являются концентрированными, и активно используются в сельском хозяйстве.
Промышленные биогазовые установки имеют автоматическое управление. Автоматика отвечает и за поступление сырья в установку, и за перемешивание, контролирует температуру, работу генератора и так далее. Также подобные установки оснащаются аварийными факельными устройствами – на случай остановки двигателя, тогда газ просто сжигается. Кроме того, нередко промышленные биогазовые установки оснащаются линией для упаковки жидких удобрений, в этом случае удобрения разливаются в небольшие (до 1 л) бутылки.
Индивидуальная биогазовая установка
Принцип работы индивидуальной биогазовой установки такой же, как и у промышленной. Правда, мини-установки редко оснащают автоматическими устройствами для перемешивания субстрата и прочей автоматикой – из-за значительного удорожания бытовой установки при такой комплектации. Чаще всего в этих установках имеются только устройства контроля температуры, работы генератора и так далее, а все обслуживание мини-биогазовой установки осуществляется вручную.
Бытовые биогазовые установки применяются в основном для производства горючего газа для кухонных нужд, если в хозяйстве не имеется животноводческой или растениеводческой направленности. Однако, все больше проявляется тенденция к использованию мини-установок для обеспечения загородных домов и коттеджей полным энергетическим комплексом, то есть, не только «кухонным» газом, но и тепловой, и электрической энергией. Причем, это уже не зависит от наличия в хозяйстве крупного или мелкого скота, сырье для домашних биогазовых установок просто приобретается в ближайшем хозяйстве. Это может быть как навоз, так и отходы деревообрабатывающих производств.
Биогазовая установка своими руками
Строительство биогазовых установок, даже мини, для бытовых нужд, обходится недешево. И, хотя сроки окупаемости такого оборудования относительно невелики (5-7 лет), далеко не каждый хозяин готов или имеет возможность вложить необходимую сумму. Да, плюсы очевидны: через непродолжительное время с помощью мини-биогазовой установки можно получить практически полную автономию от покупных источников энергии, перевести свое хозяйство на самообеспечение, да еще и иметь в качестве дополнительных бонусов бесплатные удобрения. Однако, платить деньги нужно сегодня, а плюсы проявятся только через несколько лет. Поэтому многие владельцы загородных домов и коттеджей задаются вопросом: как сделать биогазовую установку самостоятельно?
Мини-биогазовая установка не так и сложна, и с ее сооружением вполне можно справиться. При этом экономится существенная сумма. К тому же, имеются проекты биогазовых установок, использующие подручные средства и материалы (например, с реактором-колоколом, причем, колокол может быть изготовлен из резины, и так далее). То есть, самодельные установки про производству биогаза – это приобретение желаемых бонусов за минимальные деньги.
При строительстве биогазовой установки необходимо произвести точный расчет – какова должна быть ее производительность. Для этого следует учесть всех желаемых потребителей биогаза (например, кухонную плиту, автомобильную технику и так далее). Если биогаз планируется использовать для получения электрической и/или тепловой энергии, то расчет должен включать в себя всех потребителей энергии. На основании расчета создается проект биогазовой установки.
Самодельные установки для производства биогаза широко представлены в Интернете. Можно найти и образцы расчетов, и чертеж устройства, и подробное описание. Огромный выбор устройств позволит изготовить как сложную установку с несколькими камерами, так и упрощенный вариант (например, такое простое устройство, как выгребная яма, накрытая резиновым колоколом с приспособлением для отвода газа). Каждый желающий сможет выбрать самодельную установку в соответствии со своими желаниями, возможностями и умениями. Особенно полезны в этом случае описания, сопровождаемые пошаговыми фотографиями или видео.
Изготовление биогазовой установки своими руками позволяет сэкономить до 50% стоимости устройства, что значительно ускоряет окупаемость оборудования. К тому же, изготовление для начала самой простой установки, позволяет оценить необходимость такого оборудования в хозяйстве, а также вкладывать деньги постепенно, что для многих значительно легче, чем сразу заплатить всю нужную сумму.
Как работает биогазовая установка?
