Биогазовая установка для дома позволит сэкономить затраты на энергетические ресурсы. Такой агрегат можно сделать самостоятельно.
Стоимость комплектующих достаточно доступная, а производимый газ можно будет применять в различных целях – отопление, приготовление пищи и т. д.
Технология получения биогаза
Принцип работы биогазовой установки базируется на брожении биосубстрата. Он разлагается под воздействием гидролизных, метано- и кислотообразующих микроорганизмов. Вырабатывается горючий газ, содержащий высокий объем метана.
Газ фактически не уступает природному, использующемуся в быту и промышленности. Есть готовые установки. Но, их стоимость достаточно высока, срок окупаемости достигает 10 лет.
Для работы биогазовой установки можно применять доступное сырье – утилизируемые отходы. Они перерабатываются следующим образом:
- Сырье бродит под воздействием микроорганизмов.
- Выделяются горючие газы – метан, углекислота и прочие. Основной объем представлен метаном
- Газы проходят очистку и попадают газгольдер, в котором находятся до непосредственного применения.
Газ может применяться аналогично природному. Его можно использовать в качестве топлива для котлов, печей, газовых плит и т. д. Отработанное сырье нужно своевременно извлекать из установки. Отходы можно применять в качестве удобрения.
Плюсы и минусы
К основным достоинствам установки можно отнести:
- эффективная утилизация отходов;
- биомасса постоянно возобновляется за счет сельскохозяйственной деятельности;
- сравнительно незначительное содержание углекислого газа;
- небольшой объем выделяемой серы;
- стабильность, бесперебойная работа, независящая от внешних факторов;
- возможность одновременной эксплуатации нескольких установок;
- экономическая выгода, особенно для людей, которые активно занимаются сельскохозяйственной деятельностью.
К недостаткам можно отнести небольшое загрязнение окружающей среды. Также могут возникнуть сложности с поставками сырья.
Подготовка ямы для биореактора
Устройство биогазовой установки предполагает ее подземное расположение. Нужно подготовить яму необходимого объема. Ее стенки можно герметично укрепить и отделать пластиком, полимерными кольцами или бетоном.
От герметичности зависит интенсивность переработки сырья. В идеале стоит приобрести заводские полимерные кольца, имеющие сухое дно. Это более дорогое решение, но можно избежать дополнительной герметизации.
Полимерные материалы устойчивы к влажности и агрессивным средам. Их не нужно ремонтировать, а при повреждении можно быстро заменить.
Дренаж для газа
Приобретать и устанавливать специализированные мешалки – не самый экономически целесообразный вариант. Для экономии можно сделать газовый дренаж. Это вертикальные пластиковые канализационные трубы с большим количество отверстий.
Дренаж также можно сделать из стальных труб, отличающихся повышенной устойчивостью к негативным воздействиям. Но, пластик практичнее из-за антикоррозионных свойств.
На фото самодельной биогазовой установки можно наглядно ознакомиться с данной конструкцией и особенностями ее сооружения.
Длину дренажных труб следует подбирать в соответствии с глубиной заполнения биореактора. Верх труб должен выступать над данным уровнем.
Слой изоляции
После изготовления биореактора, его можно сразу заполнить сырьем. Биомассу нужно закрыть пленкой. Это необходимо для обеспечения незначительного давления газа в процессе ферментации.
После изготовления купола это гарантирует эффективную подачу биогаза по системе.
Установка купола и труб
Разберем непосредственно, как сделать простейшую биогазовую установку своими руками. Фактически все подготовительные работы завершены, биореактор сооружен и заполнен биомассой.
Остается смонтировать купольный участок. Вверху купола монтируется труба, обеспечивающая отвод газа. Через нее биогаз подается в газгольдер.
В реакторе тоже имеется свободное пространство, в котором фактически будет храниться определенный объем газа. Но, это не может обеспечить безопасность эксплуатации.
Нужно постоянно расходовать газ, в противном случае давление достигнет граничной отметки, и произойдет взрыв. Поэтому обязательно монтируется газгольдер. При необходимости газом стоит заполнять подходящие емкости, чтобы избежать повышения давления.
Биореактор должен быть герметично закрыт. В противном случае газ будет попросту выходить в атмосферу. Для предотвращения попадания воздуха в газовую смесь, следует оснастить систему гидрозатвором. Он также обеспечит очистку газа.
В конструкции нужно обязательно сделать спусковой клапан. Он должен автоматически срабатывать при превышении допустимого уровня давления.
Как подогревать биореактор?
В субстрате постоянно присутствуют бактерии, генерирующие газ. Но, чтобы они интенсивно размножались температура среды должна быть не ниже 38°С.
Следовательно, биореактор нужно подогревать, особенно зимой. Можно установить змеевик, подключенный к бытовой отопительной системе.
Другой способ – установка электрических нагревательных элементов. Но, более экономически целесообразным решением является именно подключение к отопительной системе.
Самый простой вариант – обустройство подогрева снизу путем прокладки отопительной трубы. Однако КПД такого теплообменника будет сравнительно невысоким.
Биогазовую установку можно и не делать подземной. Существуют альтернативные методы. К примеру, ее можно выполнить в бочке, которая будет находиться в отдельном помещении.
Можно использовать и, например, цистерну. Такой вариант упростит подогрев, но требует наличия достаточно пространства.
Фото биогазовой установки своими руками
На подворье любого хозяйства можно использовать не только энергию ветра, солнца, но и биогаза.
Биогаз - газообразное топливо, продукт анаэробного микробиологического разложения органических веществ. Биогазовые технологии - это наиболее радикальный, экологически чистый, безотходный способ переработки, утилизации и обеззараживания разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения.
Условия получения и энергетическая ценность биогаза.
Тем, кто захочет построить на подворье малогабаритную биогазовую установку, необходимо детально знать из какого сырья и по какой технологии можно получить биогаз.
Биогаз получают в процессе анаэробной (без доступа воздуха) ферментации (разложения) органических веществ (биомассы) различного происхождения: птичий помет, ботва, листья, солома, стебли растений и другие органические отходы индивидуального хозяйства. Таким образом, биогаз можно производить из всех хозяйственно-бытовых отходов, которые имеют способность бродить и разлагаться в жидком или влажном состоянии без доступа кислорода. Анаэробные установки (ферментаторы) дают возможность перерабатывать любую органическую массу при протекании процесса в две фазы: разложение органической массы (гидратация) и ее газификация.
Применение органической массы, прошедшей микробиологическое разложение в биогазовых установках, повышает плодородие почв, урожайность различных культур на 10-50 %.
Биогаз, который выделяется в процессе сложного брожения органических отходов, состоит из смеси газов: метана («болотного» газа) - 55-75 %, углекислого газа - 23-33 %, сероводорода - 7 %. Метановое брожение - бактериальный процесс. Главное условие его протекания и производства биогаза - наличие тепла в биомассе без доступа воздуха, что можно создать в простых биогазовых установках. Установки несложно соорудить в индивидуальных хозяйствах в виде специальных ферментаторов для сбраживания биомассы.
В приусадебном хозяйстве основным органическим сырьем для загрузки в ферментатор является навоз .
На первом этапе загрузки в емкость ферментатора навоза крупного рогатого скота продолжительность процесса ферментации должна быть 20 сут, свиного навоза - 30 сут. Большее количество газа получают при загрузке различных органических компонентов по сравнению с загрузкой лишь одного компонента. Например, при переработке навоза крупного рогатого скота и птичьего помета в биогазе может содержаться до 70 % метана, что значительно повышает эффективность биогаза как топлива. После того, как процесс сбраживания стабилизируется, следует загружать сырье в ферментатор ежедневно, но не более 10 % количества перерабатываемой в нем массы. Рекомендуемая влажность сырья летом 92-95 %, зимой - 88-90 %.
В ферментаторе, наряду с производством газа, осуществляется обеззараживание органических отходов от патогенной микрофлоры, дезодорация выделяемых неприятных запахов. Получаемый ил коричневого цвета периодически выгружается из ферментатора и используется как удобрение.
Для подогрева перерабатываемой массы используют тепло, которое выделяется при ее разложении в биоферментаторе. При понижении температуры в ферментаторе снижается интенсивность газовыделения, так как микробиологические процессы в органической массе замедляются. Поэтому надежная теплоизоляция биогазовой установки (биоферментатора) одно из наиболее важных условий ее нормальной работы.
Для обеспечения необходимого режима ферментации рекомендуется смешивать закладываемый в ферментатор навоз с горячей водой (желательно 35-40 °С). Потери тепла необходимо сводить к минимуму также при периодической догрузке и очистке ферментатора. Для лучшего обогрева ферментатора можно использовать «тепличный эффект ». Для этого над куполом устанавливают деревянный или легкий металлический каркас и покрывают полиэтиленовой пленкой. Наилучшие результаты достигаются при температуре сырья, которое сбраживается, 30-32 °С и влажности 90-95 %. На юге Украины биогазовые установки могут работать эффективно без дополнительного подогрева органической массы в ферментаторе. В районах средней и северной полосы часть получаемого газа необходимо расходовать в холодные периоды года на дополнительный подогрев сбраживаемой массы, что усложняет конструкцию биогазовых установок. Возможна ситуация, когда после первого наполнения ферментатора и начала отбора газа последний не горит. Это объясняется тем, что первоначально полученный газ содержит более 60 % углекислого газа. В этом случае его необходимо выпустить в атмосферу и через 1-3 дня работа биогазовой установки будет происходить в стабильном режиме.
При ферментации экскрементов от одного животного можно получить за сутки: крупного рогатого скота (живая масса 500-600 кг) - 1,5 куб.м биогаза, свиньи (живая масса 80-100 кг) - 0,2 куб.м, курицы или кроля - 0,015 куб.м.
За одни сутки ферментации из навоза крупного рогатого скота образуется 36 % биогаза, а свиного - 57 %. По количеству энергии 1 куб.м биогаза эквивалентен 1,5 кг каменного угля, 0,6 кг керосина, 2 кВт/ч электроэнергии, 3,5 кг дров, 12 кг навозных брикетов.
Широкое развитие биогазовые технологии получили в Китае, они активно внедряются в ряде стран Европы, Америки, Азии, Африки. В Западной Европе, например в Румынии, Италии, более 10 лет назад начали массово применять малогабаритные биогазовые установки с объемом перерабатываемого сырья 6-12 куб.м.
Владельцы приусадебных и фермерских хозяйств в Украине тоже начали проявлять интерес к таким установкам. На территории любой усадьбы можно оборудовать одну из наиболее простых биогазовых установок, которые, например, применяются в индивидуальных хозяйствах Румынии. Согласно приведенным на рис. 1-а, размерам оборудуют яму 1 и купол 3. Яму облицовывают железобетонными плитами толщиной 10 см, которые штукатурят цементным раствором и для герметичности покрывают смолой. Из кровельного железа сваривают колокол высотой 3 м, в верхней части которого будет скапливаться биогаз. Для защиты от коррозии колокол периодически красят двумя слоями масляной краски. Еще лучше предварительно покрыть колокол изнутри свинцовым суриком.
В верхней части колокола устанавливают патрубок 4 для отвода биогаза и манометр 5 для измерения его давления. Газоотводящий патрубок 6 можно изготовить из резинового шланга, пластмассовой или металлической трубы.
Вокруг ямы-ферментатора устраивают бетонную канавку-гидрозатвор 2, наполненную водой, в которую погружают нижний бортик колокола на 0,5 м.
Подавать газ к кухонной плите можно по металлическим, пластмассовым или резиновым трубкам. Чтобы зимой из-за замерзания конденсирующейся воды трубки не разрывало, применяют несложное устройство (рис. 1-б): U-образную трубку 2 присоединяют к трубопроводу 1 в самой нижней точке. Высота ее свободной части должна быть больше давления биогаза (в мм. вод. ст.). Конденсат 3 сливается через свободный конец трубки, при этом не будет утечки газа.
Во втором варианте установки (рис. 1-в) яму 1 диаметром 4 мм глубиной 2 м обкладывают внутри кровельным железом, листы которого плотно сваривают. Внутреннюю поверхность сварного резервуара покрывают смолой для антикоррозионной защиты. С наружной стороны верхней кромки резервуара из бетона устраивают кольцевую канавку 5 глубиной до 1 м, которую заливают водой. В нее свободно устанавливают вертикальную часть купола 2, закрывающую резервуар. Таким образом канавка с залитой в нее водой служит гидрозатвором. Биогаз собирается в верхней части купола, откуда через выпускной патрубок 3 и далее по трубопроводу 4 (или шлангу) подается к месту использования.
В круглый резервуар 1 загружается около 12 куб.м органической массы (желательно свежего навоза), которая заливается жидкой фракцией навоза (мочой) без добавления воды. Через неделю после заполнения ферментатор начинает работать. В данной установке емкость ферментатора составляет 12 куб.м, что дает возможность сооружать ее для 2-3 семей, дома которых расположены недалеко. Такую установку можно построить на подворье, если семья выращивает на подряде бычков или содержит несколько коров.
Конструктивно-технологические схемы простейших малогабаритных установок приведены на рис. 1-г, д, е, ж. Стрелками обозначены технологические перемещения исходной органической массы, газа, ила. Конструктивно купол может быть жестким или изготовленным из полиэтиленовой пленки. Жесткий купол можно выполнить с длинной цилиндрической частью для глубокого погружения в перерабатываемую массу «плавающим» (рис. 1-г) или вставленным в гидравлический затвор (рис. 1-д). Купол из пленки можно вставить в гидрозатвор (рис. 1-е) или изготовить в виде цельно клееного большого мешка (рис. 1-ж). В последнем исполнении на мешок из пленки укладывают груз 9, чтобы мешок не очень раздувался, а также для образования под пленкой достаточного давления.
Газ, который собирается под куполом или пленкой, поступает по газопроводу к месту использования. Для избежания взрыва газа на выпускном патрубке можно установить отрегулированный на определенное давление клапан. Однако, опасность взрыва газа маловероятна, поскольку при значительном повышении давления газа под куполом последний будет приподнятый в гидравлическом затворе на критическую высоту и опрокинется, выпустив при этом газ.
Выработка биогаза может быть снижена из-за того, что на поверхности органического сырья в ферментаторе при ее брожении образуется корка. Для того, чтобы она не препятствовала выходу газа, ее разбивают, перемешивая массу в ферментаторе. Перемешивать можно не вручную, а путем присоединения снизу к куполу металлической вилки. Купол поднимается в гидравлическом затворе на определенную высоту при накоплении газа и опускается по мере его использования.
Благодаря систематическому движению купола сверху-вниз, соединенные с куполом вилки будут разрушать корку.
Высокая влажность и наличие сероводорода (до 0,5 %) способствует повышенной коррозии металлических частей биогазовых установок . Поэтому состояние всех металлических элементов ферментатора регулярно контролируют и места повреждений тщательно защищают, лучше всего свинцовым суриком в один или два слоя, а затем красят в два слоя любой масляной краской.
Рис. 1. Схемы простейших биогазовых установок :
а). с пирамидальным куполом: 1 - яма для навоза; 2 - канавка-гидрозатвор; 3 - колокол для сбора газа; 4, 5 - патрубок для отвода газа; 6 - манометр;
б). устройство для отвода конденсата: 1 - трубопровод для отвода газа; 2 - U-образная труба для конденсата; 3 - конденсат;
в). с коническим куполом: 1 - яма для навоза; 2 - купол (колокол); 3 - расширенная часть патрубка; 4 - труба для отвода газа; 5 - канавка-гидрозатвор;
г, д, е, ж - схемы вариантов простейших установок: 1 - подача органических отходов; 2 - емкость для органических отходов; 3 - место сбора газа под куполом; 4 - патрубок для отвода газа; 5 - отвод ила; 6 - манометр; 7 - купол из полиэтиленовой пленки; 8 - водяной затвор; 9 - груз; 10 - цельноклееный полиэтиленовый мешок.
Биогазовая установка с подогревом сбраживаемой массы теплом, выделяемым при разложении навоза в аэробном ферментаторе, приведена на рис. 2, включает метантанк - цилиндрическую металлическую емкость с заливной горловиной 3, сливным краном 9, механической мешалкой 5 и патрубком 6 отбора биогаза.
Ферментатор 1 можно сделать прямоугольным из деревянных материалов. Для выгрузки обработанного навоза боковые стенки выполнены съемными. Пол ферментатора - решетчатый, через технологический канал 10 воздух продувают из воздуходувки 11. Сверху ферментатор закрывают деревянными щитами 2. Чтобы уменьшить потери тепла, стенки и днище изготавливают с теплоизоляционной прослойкой 7.
Работает установка так. В метантанк 4 через Головину 3 заливают предварительно подготовленный жидкий навоз влажностью 88-92 %, уровень жидкости определяют по нижней части заливной горловины. Аэробный ферментатор 1 через верхнюю открывающуюся часть заполняют подстилочным навозом или смесью навоза с рыхлым сухим органическим наполнителем (солома, опилки) влажностью 65-69 %. При подаче воздуха через технологический канал в ферментаторе начинает разлагаться органическая масса и выделяется тепло. Его достаточно для подогрева содержимого метантанка. В результате происходит выделение биогаза. Он накапливается в верхней части метантанка. Через патрубок 6 его используют для бытовых нужд. В процессе сбраживания навоз в метантенке перемешивается мешалкой 5.
Такая установка окупится уже за год только за счет утилизации отходов в личном хозяйстве.
Рис. 2. Схема биогазовой установки с подогревом
:
1 - ферментатор; 2 - деревянный щит; 3 - заливная горловина; 4 - метантанк; 5 - мешалка; 6 - патрубок для отбора биогаза; 7 - теплоизоляционная прослойка; 8 - решетка; 9 - сливной кран для переработанной массы; 10 - канал для подачи воздуха; 11 - воздуходувка.
Индивидуальная биогазовая установка (ИБГУ-1) для крестьянской семьи, имеющей от 2 до 6 коров или 20-60 свиней, или 100-300 голов птицы (рис. 3). Установка ежесуточно может перерабатывать от 100 до 300 кг навоза и производит 100-300 кг экологически чистых органических удобрений и 3-12 куб.м биогаза.
Для приготовления пищи на семью из 3-4 человек необходимо сжигать 3-4 куб.м биогаза в сутки, для отопления дома площадью 50-60 кв.м - 10-11 куб.м. Установка может работать в любой климатической зоне. К их серийному производству приступил тульский завод «Стройтехника» и ремонтно-механический завод «Орловский» (г. Орел).
Рис. 3. Схема индивидуальной биогазовой установки
ИБГУ-1:
1 - заливная горловина; 2 - мешалка; 3 - патрубок для отбора газа; 4 - теплоизоляционная прослойка; 5 - патрубок с краном для выгрузки переработанной массы; 6 - термометр.
У нас в Сербии, да и в Европе в целом, люди не хотят зависить от энергетических и газовых компаний, поэтому стремятся приобрести альтернативные источники энергии. Будь то солнечные батареи, тепловые коллекторы, или биогазовые установки.
Я как-то уже рассказывал в своем журнале о биогазовых установках промышленного производства, теперь мой рассказ о самодельной установке, которая может вырабатывать газ для вашего дома или дачи. Принцип действия понятен из рисунка. Я лишь сделаю пояснения и сообщу назначение некоторых элементов.
Для изготовления установки вам потребуется:
*Две пластиковые бочки по 200 литров (в Сербии в таких бочках солят капусту), но могут быть и металлические бочки от дизельного топлива.
* Пять переходников-штуцеров для соединения элементов с шлангом толщиной не менее 13 мм.
* Пластиковый шланг (длина в зависимости от потребностей установки).
* Пластиковое ведро.
* Пластиковая канистра 3 - 5 литров (от автомобильного масла с завинчивающейся крышкой) для аварийного клапана.
* Две пластиковые трубки диаметром 5 см.
Элемент 1 - на рисунке, БИО газогенератор
Он состоит: из герметичного ствола, двух пластиковых труб и выходного штуцера для биогаза.
В генераторе органическая масса распададатся в процессе гниения, освобождая 60% метана и 40% SO2.
Через первую пластиковую трубку с воронкой, мелко нарезанные отходы биомассы засыпаются, смешиваются с водой в соотношении 10% биомассы и 90% дождевой воды (мягкая вода).
Хорошо, если бы ещё добавить естественную смесь свежего навоза от коров, свиней и птицы, чтобы таким образом ввести микроорганизмы от которых зависит производство биогаза. За неимением, можно добавить немного грязи из реки или пруда, чтобы ускорить процесс.
Процесс занимает около 3-х недель, чтобы газ был сформирован. На ранней стадии вы заметите, что газ выделяется, но знайте, что это SO2 - углекислый газ, который не является горючим. Только после того, как пройдет 3 недели, присходит образование метана, - биогаза.
В нижней части контейнера с течением времени появляется остаток, который является отличным натуральным удобрение для овощей в садоводстве.
Идеальная температура составляет от 12 до 36 градусов, защитите бочку от попадания прямых солнечных лучей в тени, а зимой от замерзания. Имейте в виду, что это бочка "живая", то есть она содержит миллиарды микроорганизмов, работающих на процесс разложения биомассы.
В случае, если вы БИО Газогенератор "пережарите" или "заморозите" - исчезнут микроорганизмы, так что весь процесс придется начинать заново.
Элемент 2 на рисунке представляет собой контейнер для сбора биогаза и гидрозатвор
Она состоит из открытй пластиковой бочки, ведра и двух штуцеров (вентил) для потока газа и разновеса (тегови) .
В этом контейнере - бочке на 200 литров, собран газ, как это показано на рисунке. Обеспечивает простое и гибкое решение без потери газа. Кроме того, вода еще выполняет функцию фильтра, очищая метан от примесей.
Обратите внимание на то, что газ поднял емкость с водой, и это указывает на количество собранного газа.
Масса разновеса поможет сделать давление газа достаточным, который далее направляется в аварийный клапан, элемент № 4.
Держите этот контейнер наполненным водой и защищенным от замерзания.
Элемент 3 - горелка
Элемент 4 - Аварийный клапан
Аварийный клапан состоит из пластиковой канистры с водой, с завинчивающейся крышкой и двух переходников.
Пустые канистры из под масла для автомобиля - хорошая импровизация.
Аварийный клапан предназначен для перехвата пламени, чтобы остановить обратный эффект. Аварийный клапан расположен между Элементом 3 - горелкой и контейнером для сбора газа, Элемент 2.
Крайне важно, чтобы вы установили аврийный клапан, чтобы предотвратить возможность зажигания контейнера с газом, что привело бы к аварии или взрыву.
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.
