Из каких источников получают биогаз. Биогаз из навоза – способы получения, преимущества технологии

Технология производства биогаза . Современные животноводческие комплексы обеспечивают получение высоких производственных показателей. Применяемые технологические решения позволяют полностью соблюдать требования действующих санитарно-гигиенических норм в помещениях самих комплексов.

Однако большие количества жидкого навоза, сконцентрированные в одном месте, создают значительные проблемы для экологии прилегающих к комплексу территорий. Например, свежий свиной навоз и помёт относятся к отходам, имеющим 3-й класс опасности. Экологические вопросы находятся на контроле надзирающих органов, требования законодательства по этим вопросам постоянно ужесточаются.

Биокомплекс предлагает комплексное решение по вопросам утилизации жидкого навоза, которое включает ускоренную переработку в современных биогазовых установках (БГУ). В процессе переработки, в ускоренном режиме протекают естественные процессы разложения органики с выделением газа включающего: метан, СО2, серу, и т.д. Только получаемый газ не выделяется в атмосферу, вызывая парниковый эффект, а направляется в специальные газогенераторные (когенерационные) установки, которые вырабатывают электрическую и тепловую энергию.

Биогаз - горючий газ , образующийся при анаэробном метановом сбраживании биомассы и состоящий преимущественно из метана (55-75%), двуокиси углерода (25-45%) и примесей сероводорода, аммиака, оксидов азота и других (менее 1%).

Разложение биомассы происходит в результате химико-физических процессов и симбиотической жизнедеятельности 3-х основных групп бактерий, при этом продукты метаболизма одних групп бактерий являются продуктами питания других групп, в определённой последовательности.

Первая группа - гидролизные бактерии, вторая – кислотообразующие, третья - метанобразующие.

В качестве сырья для производства биогаза могут использоваться как органические агропромышленные или бытовые отходы, так и растительное сырьё.

Наиболее распространёнными видами отходов АПК, используемыми для производства биогаза, являются:

• навоз свиней и КРС, помёт птицы;
• остатки с кормового стола комплексов КРС;
• ботва овощных культур;
• некондиционный урожай злаковых и овощных культур, сахарной свёклы, кукурузы;
• жом и меласса;
• мучка, дробина, мелкое зерно, зародыши;
• дробина пивная, солодовые ростки, белковый отстой;
• отходы крахмало-паточного производства;
• выжимки фруктовые и овощные;
• сыворотка;
• и пр.

Количество субстратов (видов отходов), используемых для производства биогаза в пределах одной биогазовой установки (БГУ), может варьироваться от одного до десяти и более.

Биогазовые проекты в агропромышленном секторе могут быть созданы по одному из следующих вариантов:

• производство биогаза из отходов отдельного предприятия (например, навоза животноводческой фермы, жома сахарного завода, барды спиртового завода);
• производство биогаза на базе отходов разных предприятий, с привязкой проекта к отдельному предприятию либо отдельно расположенной централизованной БГУ;
• производство биогаза с преимущественным использованием энергетических растений на отдельно расположенных БГУ.

Наиболее распространённым способом энергетического использования биогаза является сжигание в газопоршневых двигателях в составе мини-ТЭЦ, с производством электроэнергии и тепла.

Существуют различные варианты технологических схем биогазовых станций — в зависимости от типов и количества видов применяемых субстратов. Использование предварительной подготовки, в ряде случаев, позволяет добиться увеличения скорости и степени распада сырья в биореакторах, а, следовательно, увеличения общего выхода биогаза. В случае применения нескольких субстратов, отличающихся свойствами, например, жидких и твёрдых отходов, их накопление, предварительная подготовка (разделение на фракции, измельчение, подогрев, гомогенизация, биохимическая или биологическая обработка, и пр.) проводится отдельно, после чего они либо смешиваются перед подачей в биореакторы, либо подаются раздельными потоками.

Основными структурными элементами схемы типичной биогазовой установки являются:

• система приёма и предварительной подготовки субстратов;
• система транспортировки субстратов в пределах установки;
• биореакторы (ферментеры) с системой перемешивания;
• система обогрева биореакторов;
• система отвода и очистки биогаза от примесей сероводорода и влаги;
• накопительные ёмкости сброженной массы и биогаза;
• система программного контроля и автоматизации технологических процессов.

Технологические схемы БГУ бывают различными в зависимости от вида и числа перерабатываемых субстратов, от вида и качества конечных целевых продуктов, от того или иного используемого «ноу-хау» компании поставщика технологического решения, и ряда других факторов. Наиболее распространёнными на сегодняшний день являются схемы с одноступенчатым сбраживанием нескольких видов субстратов, одним из которых обычно является навоз.

С развитием биогазовых технологий применяемые технические решения усложняются в сторону двухступенчатых схем, что в ряде случаев обосновано технологической необходимостью эффективной переработки отдельных видов субстратов и повышением общей эффективности использования рабочего объема биореакторов.

Особенностью производства биогаза является то, что он может вырабатываться метановыми бактериями только из абсолютно сухих органических веществ. Поэтому задачей первого этапа производства, является создание смеси субстрата, который имеет повышенное содержание органических веществ, и в то же время может перекачиваться насосами. Это субстрат с содержанием сухих веществ 10-12%. Решение достигается путём выделения излишней влаги с помощью шнековых сепараторов.

Жидкий навоз поступает из производственных помещений в резервуар, гомогенизируется с помощью погружной мешалки, и погружным насосом подаётся в цех разделения на шнековые сепараторы. Жидкая фракция накапливается в отдельном резервуаре. Твёрдая фракция загружается в устройство подачи твёрдого сырья.

В соответствии с графиком загрузки субстрата в ферментёр, по разработанной программе периодически включается насос, подающий жидкую фракцию в ферментёр и одновременно включается загрузчик твёрдого сырья. В качестве варианта, жидкая фракция может подаваться в загрузчик твёрдого сырья, имеющего функцию перемешивания, и затем уже готовая смесь подаётся в ферментёр по разработанной программе загрузки.. Включения бывают непродолжительными. Это сделано, чтобы не допустить излишнего поступления органического субстрата в ферментёр, поскольку это может нарушить баланс веществ и вызовет дестабилизацию процесса в ферментёре. Одновременно включаются также насосы, перекачивающие дигестат из ферментёра в дображиватель и из дображивателя в накопитель дигестата (лагуну), чтобы не допустить переполнения ферментёра и дображивателя.

Находящиеся в ферментёре и дображивателе массы дигестата, перемешиваются для обеспечения равномерного распределения бактерий по всему объёму ёмкостей. Для перемешивания используются тихоходные мешалки специальной конструкции.

В процессе нахождения субстрата в ферментёре, бактериями выделяется до 80% всего биогаза, вырабатываемого БГУ. В дображивателе выделяется оставшаяся часть биогаза.

Важную роль в обеспечении стабильного количества выделяемого биогаза играет температура жидкости внутри ферментёра и дображивателя. Как правило, процесс протекает в мезофильном режиме с температурой 41-43ᴼС. Поддержание стабильной температуры достигается применением специальных трубчатых нагревателей внутри ферментёров и дображивателей, а также надёжной теплоизоляцией стен и трубопроводов. Биогаз, выходящий из дигестата, имеет повышенное содержание серы. Очистка биогаза от серы производится с помощью специальных бактерий, заселяющих поверхность утеплителя, уложенного на деревянный балочный свод внутри ферментёров и дображивателей.

Накопление биогаза осуществляется в газгольдере, который образуется между поверхностью дигестата и эластичным высокопрочным материалом, покрывающим ферментёр и дображиватель сверху. Материал имеет способность сильно растягиваться (без уменьшения прочности), что накоплении биогаза значительно увеличивает ёмкость газгольдера. Для предохранения переполнения газгольдера и разрыва материала, имеется предохранительный клапан.

Далее биогаз поступает в когенерационную установку. Когенерационная установка (КГУ) является блоком, в котором осуществляется выработка электрической энергии генераторами, привод которых осуществляют газопоршневые двигатели, работающие на биогазе. Когенераторы работающие на биогазе, имеют конструктивные отличия от обычных газогенераторных двигателей, поскольку биогаз является сильно обеднённым топливом. Вырабатываемая генераторами электрическая энергия, обеспечивает питание электрооборудования самой БГУ, а все сверх этого отпускается близлежащим потребителям. Энергия жидкости, идущей на охлаждение когенераторов и является вырабатываемой тепловой энергией за минусом потерь в бойлерных устройствах. Вырабатываемая тепловая энергия, частично идёт на обогрев ферментёров и дображивателей, а оставшаяся часть – также направляется в близ лежащим потребителям. поступает в

Можно установить дополнительное оборудование для очистки биогаза до уровня природного газа, однако это дорогостоящее оборудование и его применяют, только если целью БГУ является не производство тепловой и электрической энергии, а производство топлива для газопоршневых двигателей. Апробированными и наиболее часто применяемыми технологиями очистки биогаза являются водная абсорбция, адсорбция на носителе под давлением, химическое осаждение и мембранное разделение.

Энергетическая эффективность работы БГУ во многом зависит как от выбранной технологии, материалов и конструкции основных сооружений, так и от климатических условий в районе их расположения. Среднее потребление тепловой энергии на подогрев биореакторов в умеренном климатическом поясе равно 15-30% от энергии, вырабатываемой когенераторами (брутто).

Общая энергетическая эффективность биогазового комплекса с ТЭЦ на биогазе составляет в среднем 75-80%. В ситуации, когда всё тепло, получаемое от когенерационной станции при производстве электроэнергии невозможно потребить (распространённая ситуация из-за отсутствия внешних потребителей тепла), оно отводится в атмосферу. В таком случае, энергетическая эффективность биогазовой ТЭС составляет лишь 35% от общей энергии биогаза.

Основные показатели работы биогазовых установок могут существенно различаться, что во многом определяется применяемыми субстратами, принятым технологическим регламентом, эксплуатационной практикой, выполняемыми задачами каждой отдельной установки.

Процесс переработки навоза составляет не более 40 дней. Получаемый в результате переработки дигестат, не имеет запаха и является прекрасным органическим удобрением, в котором достигнута наибольшая степень минерализации питательных веществ, усваиваемых растениями.

Дигестат, как правило, разделяется на жидкую и твёрдую фракции с помощью шнековых сепараторов. Жидкую фракцию направляют в лагуны, где накапливают до периода внесения в почву. Твёрдая фракция также используется в качестве удобрения. Если применить к твёрдой фракции дополнительную сушку, грануляцию и упаковку, то она будет пригодна для длительного хранения и транспортировки на большие расстояния.

Производство и энергетическое использования биогаза имеет целый ряд обоснованных и подтверждённых мировой практикой преимуществ, а именно:

1. Возобновляемый источник энергии (ВИЭ). Для производства биогаза используется возобновляемая биомасса.
2. Широкий спектр используемого сырья для производства биогаза позволяет строить биогазовые установки фактически повсеместно в районах концентрации сельскохозяйственного производства и технологически связанных с ним отраслей промышленности.
3. Универсальность способов энергетического использования биогаза как, для производства электрической и/или тепловой энергии по месту его образования, так и на любом объекте, подключённом к газотранспортной сети (в случае подачи очищенного биогаза в эту сеть), а также в качестве моторного топлива для автомобилей.
4. Стабильность производства электроэнергии из биогаза в течение года позволяет покрывать пиковые нагрузки в сети, в том числе и в случае использования нестабильных ВИЭ, например, солнечных и ветровых электростанций.
5. Создание рабочих мест за счёт формирования рыночной цепочки от поставщиков биомассы до эксплуатирующего персонала энергетических объектов.
6. Снижение негативного воздействия на окружающую среду за счёт переработки и обезвреживания отходов путём контролированного сбраживания в биогазовых реакторах. Биогазовые технологии – один из основных и наиболее рациональных путей обезвреживания органических отходов. Проекты по производству биогаза позволяют сокращать выбросы парниковых газов в атмосферу.
7. Агротехнический эффект от применения сброженной в биогазовых реакторах массы на сельскохозяйственных полях проявляется в улучшении структуры почв, регенерации и повышении их плодородия за счёт внесения питательных веществ органического происхождения. Развитие рынка органических удобрений, в том числе из переработанной в биогазовых реакторах массы, в перспективе будет способствовать развитию рынка экологически чистой продукции сельского хозяйства и повышению его конкурентоспособности.

Ориентировочные удельные инвестиционные затраты

БГУ 75 кВтэл. ~ 9.000 €/кВтэл.

БГУ 150 кВтэл. ~ 6.500 €/кВтэл.

БГУ 250 кВтэл. ~ 6.000 €/кВтэл.

БГУ bis 500 кВтэл. ~ 4.500 €/кВтэл.

БГУ 1 МВтэл. ~ 3.500 €/кВтэл.

Выработанная электрическая и тепловая энергия могут обеспечить не только потребности комплекса, но и прилегающей инфраструктуры. Причём сырьё для БГУ бесплатное, что обеспечивает высокую экономическую эффективность после завершения периода окупаемости (4-7 лет). Себестоимость вырабатываемой на БГУ энергии со временем не растёт, а напротив – уменьшается.

Биотопливо или биогаз – это смесь различных газов, которая получается в результате деятельности особых микроорганизмов (бактерий и археев), питающихся различной органикой, в том числе навозом.

После его получения навоз или помет превращаются в качественное удобрение, содержащее калий, азот, фосфор и почвообразующие кислоты.

Плюсы переработки навоза в биотопливо очевидны, это:

• снижение выброса парниковых газов;
• сокращение расхода невозобновляемых видов топлива;
• очистка экскрементов от гельминтов, а также различных возбудителей болезней;
• возможность утилизации кухонных отходов.

О других способах утилизации и переработки навоза мы уже рассказывали в статье .

• о технологии получения из навоза биогаза;
• о том, что ускоряет или замедляет эти процессы, а также влияет на общий объем топлива;
• какие меры безопасности должны приниматься;
• как используют очищенное топливо;
• насколько производство биогаза рентабельно.

Навоз, как и помет, является не только экскрементами животных, но и очень сложным веществом.

Оно наполнено различными микроорганизмами , которые участвуют во многих химических и физических процессах.

Во время нахождения в кишечнике они перерабатывают пищу, разрушают сложные органические цепочки, превращая их в простые вещества, пригодные для усваивания через стенки кишечника.

При этом численность и активность микроорганизмов корректируется желудочным соком и выделяемыми кишечником веществами.

После попадания в биореактор их часть начинает усиленно поглощать кислород, выделяя в процессе своей жизнедеятельности различные газы. Именно они расщепляют сложные органические соединения, превращая их в вещества, пригодные для питания метанообразующих микроорганизмов.

Этот процесс называют гидролизом или брожением . Когда уровень кислорода падает до критического значения, эти микроорганизмы гибнут и перестают участвовать в происходящих процессах, а их работу выполняют анаэробные археи, то есть не нуждающиеся в кислороде.

Большинство людей считает метанообразующие микроорганизмы бактериями, подразумевая под этим их маленький размер, но ученые с недавнего времени (1990 год) относят их к метаногенам, то есть археобактериям (археям), питающимся водородом и окисью углерода (угарным газом).

Они отличаются от бактерий по своему строению, но сопоставимы с ними по размерам. Поэтому многие производители удобрений до сих пор называют их бактериями, ведь на уровне обычного пользователя устройств для получения биотоплива оба названия одинаково правильны.

Метанобразующие микроорганизмы питаются расщепленной органикой , превращая ее в сапропель (донный ил, состоящий из смеси органических и неорганических веществ, среди которых есть гумусовые кислоты, являющиеся органической основой почвы) и воду с выделением метана.

Поскольку в процессе перегнивания участвуют не только метанобразующие микроорганизмы, то выделяемый ими газ состоит не только из метана, а также включает в себя :

• углекислый газ;
• сероводород;
• азот;
• воздушно-водную дисперсию.

Доля каждого газа зависит от количества и активности соответствующих микроорганизмов , на жизнедеятельность которых влияют многие факторы.

Среди них:

• размер твердых фракций содержимого биореактора;
• процентное соотношение жидких/твердых органических фракций;
• исходный состав материала;
• температура;
• остаток подходящих для этих микроорганизмов питательных веществ на текущий момент.

Деятельность метанообразующих микроорганизмов

Активность всех микроорганизмов, участвующих в процессе производства биотоплива, напрямую зависит от температуры среды , однако наименьшая зависимость у гнилостных микроорганизмов.

Несмотря на то, что часть из них также выделяет метан, общее количество этого газа сокращается по мере снижения температуры, зато возрастает количество других газов.

При температуре 5–25 градусов действуют лишь психрофильные метаногены , отличающиеся минимальной производительностью. Остальные процессы также замедляются, однако гнилостные бактерии довольно активны, поэтому смесь довольно быстро начинает гнить, после чего в ней сложно запустить процессы производства метана.

Нагрев до температуры 30–42 градуса (мезофильный процесс) увеличивает активность мезофильных метаногенов, обладающих не слишком высокой производительностью, а их основные конкуренты – гнилостные бактерии чувствуют себя довольно комфортно.

При температуре 54–56 градусов (термофильный процесс) вступают в действие термофильные микроорганизмы , обладающие максимальной способностью производить метан, из-за чего не только увеличивается выход биогаза, но и возрастает доля метана в нем.

Кроме того, резко снижается активность их основных конкурентов – гнилостных микроорганизмов, в связи с чем снижаются расходы расщепленной органики на производство других газов и ила.

Любые метаногены помимо газа выделяют еще и тепловую энергию, однако эффективно поддерживать температуру на комфортном уровне могут лишь мезофильные бактерии . Термофильные микроорганизмы выделяют меньше энергии, поэтому для их активного существования субстрат необходимо подогревать до оптимальной температуры.

Как увеличить выход?

Поскольку производителями метана являются метаногены, то чтобы увеличить выход газа, необходимо создать максимально комфортные условия для этих микроорганизмов .

Этого можно достичь лишь комплексно, влияя на все этапы от сбора и подготовки навоза до сброса отработанного материала и способов очистки газа.

Метаногены не могут эффективно переваривать твердые фрагменты, поэтому навоз/помет, а также другие органические вещества, такие как , скошенная трава и прочие необходимо максимально измельчать .

Чем меньше размер крупных фрагментов, а также чем меньше их процентное содержание, тем больше материала может быть переработано бактериями. Кроме того, очень важно достаточное количество воды, поэтому навоз или помет обязательно разводят водой до определенной консистенции.

Должен быть соблюден баланс между метаногенами и бактериями , разлагающими органику на простые составляющие, в особенности расщепляющими жиры.

Если будет избыток метаногенов, то они быстро выработают доступные питательные вещества, после чего их производительность резко упадет, зато возрастет активность гнилостных микроорганизмов, которые перерабатывают органику в гумус другим способом.

Если же будет избыток бактерий, разлагающих органику, то доля углекислого газа в биогазе резко возрастет, из-за чего после очистки готового продукта будет заметно меньше.

В неподвижном состоянии содержимое биореактора расслаивается по плотности, из-за чего лишь часть метанообразующих микроорганизмов получает достаточное количество питания, поэтому необходимо периодически перемешивать помет/навоз в биореакторе.

Образующийся в итоге ил обладает более высокой плотностью, чем водный раствор навоза, поэтому оседает на дно, откуда его необходимо удалять, чтобы освободить место для новой партии экскрементов.

Очистка готового продукта снижает объем биогаза, зато резко повышает его теплотворную способность. Чтобы не потерять готовый биогаз, его необходимо закачивать в заранее подготовленные хранилища (газгольдеры), из которых он затем будет поступать к потребителям.

Технология производства и оборудование

Замкнутый технологический цикл , подразумевающий минимальное использование внешней энергии, включает в себя:

• сбор и подготовку навоза;
• загрузку и обслуживание биореактора;
• слив и утилизацию отходов;
• очистку газа;
• генерацию электрической и тепловой энергии.

Сбор и подготовка материала

Собранные в навозоприемнике экскременты содержат много крупных фрагментов, поэтому их измельчают с помощью любых подходящих измельчителей . Нередко эту функцию выполняет насос, перекачивающий материал в биореактор.

Вручную или с помощью автоматизированных систем определяют уровень влажности продукта и при необходимости добавляют в него чистую нехлорированную воду.

Если для увеличения объема биогаза в сырье добавляют зеленую массу (скошенную траву, и т. д.), то ее тоже предварительно измельчают с помощью .

Измельченный и при необходимости наполненный зеленой массой субстрат фильтруют , затем закачивают в емкость, расположенную неподалеку от биореактора.

В ней готовый к использованию раствор нагревают до необходимой температуры (зависит от режима брожения) и после заполнения сливают в биореактор, который со всех сторон окружен водяной рубашкой.

Такой способ обогрева обеспечивает одинаковую температуру во всех слоях содержимого, а для нагрева теплоносителя (воды) используют часть произведенного газа (во время первых загрузок подогревать теплоноситель придется за счет сторонних источников энергии). Однако возможны и другие способы нагрева содержимого.

1–3 раза в сутки содержимое перемешивают , чтобы избежать сильного расслоения и повысить эффективность переработки навоза в газ.

В верхней части реактора скапливается выработанный бактериями газ, из-за чего появляется небольшое положительное давление. Отбор газа в газгольдер происходит периодически по мере достижения определенного давления или постоянно, но в этом случае количество отобранного газа регулируют, чтобы сохранять необходимое давление.

Слив и утилизация отходов

Полностью перегнивший материал, благодаря более высокой плотности оседает на дно реактора, а между ним и наиболее активным слоем появляется прослойка отработанной жидкости . Поэтому перед перемешиванием ее удаляют вместе с частью ила , которые затем разделяют.

Оба вида отходов являются сильными натуральными удобрениями — жидкость ускоряет развитие растений, а ил улучшает структуру/качество почвы и содержит гуминовые вещества.

Поэтому оба вида отходов можно продавать, а также использовать на собственных полях. Если отходы не планируется сразу разделять на фракции, то их необходимо периодически перемешивать, чтобы ил не слежался, иначе его трудно будет извлечь во время опорожнения емкости.

Очистка газа

Для очистки биогаза применяют несколько технических решений, каждое из которых нацелено на удаление из его состава определенного вещества. Воду удаляют с помощью конденсации , для чего продукт сначала нагревают, затем проводят через холодную трубу, на стенках которой и оседают капельки воды.

Сероводород и углекислый газ удаляют с помощью сорбентов при высоком давлении. Правильно построенная линия очистки поднимает содержание метана до уровня 93–98%, что превращает биогаз в очень эффективное горючее, способное конкурировать с другим газообразным топливом.

Сделать серьезное оборудование для очистки в домашних условиях невозможно, тем не менее, можно пропускать готовый продукт через воду при высоком давлении, благодаря чему двуокись углерода будет превращаться в углекислоту.

При этом воду нужно постоянно менять, ведь ее способность впитывать углекислый газ ограничена. Отработанную воду необходимо нагреть (углекислый газ выйдет), после чего ее можно снова использовать для очистки. Но даже таким способом очищать готовый продукт должен опытный химик , способный подобрать нужные температуры и давление.

Генерация тепловой и электрической энергии

Благодаря высокой теплотворной способности очищенный биогаз хорошо подходит для питания электрогенераторов и различных нагревательных устройств .

Это снижает выход готового газа, но позволяет обойтись без дополнительных источников энергии за исключением первых нескольких дней, пока биореактор выйдет на полную мощность.

Для перевода двигателей внутреннего сгорания на метан необходимо установить правильный угол зажигания , ведь октановое число этого топлива составляет 105–110 единиц. Это можно сделать как механическими способами (повернув трамблер), так и изменив программу электронного блока управления.

Если же двигатель будет работать только на метане, без использования бензина, то его необходимо форсировать, повышая степень сжатия.

Это не только увеличит КПД мотора, позволив более бережно расходовать газ, но и сделает двигатель более долговечным , ведь чем меньше степень сжатия, тем выше температура в камере сгорания, а значит, выше вероятность прогорания поршней или клапанов.

Для перевода на биогаз отопительных приборов, включая водогрейные котлы, необходимо подобрать жиклер правильного размера , чтобы количество производимой тепловой энергии соответствовало режиму работы. Это особенно важно для систем с автоматическим управлением, действующих по определенной программе.

Объем биореактора

Объем биореактора рассчитывают, исходя из цикла полной переработки органики, который составляет для:

• мезофильного процесса 12–30 дней;
• термофильного процесса 3–10 дней.

Объем реактора определяют следующим образом – умножают суточный выход навоза, разведенного до необходимой влажности (90%), на максимальное количество дней, необходимое для полного перегнивания, затем полученный результат увеличивают на 10–30%.

Такое увеличение необходимо для создания первого газгольдера, в котором будет накапливаться выработанный газ.

Производительность

Несмотря на то, что при любом температурном режиме общий выход газа примерно одинаков, есть существенная разница — получить его за 3–5 дней при максимальной производительности или собирать его в течение месяца.

Поэтому поднять производительность можно лишь с помощью увеличения объема перерабатываемого материала , а значит и использования более крупного биореактора.

Перевод на термофильный процесс позволяет увеличить производительность даже при сокращении объема реактора, однако в этом случае резко возрастают издержки, связанные с нагревом смеси.

Приблизительные параметры выхода биогаза из разных видов навоза/помета, а также других материалов рассмотрим ниже в таблицах . Для перевода указанных значений в тонны готовой смеси влажностью 90% данные из второго столбца нужно умножать на 80–120.

Такой разброс связан с:

• особенностями кормления животных или птиц;
• материалом и наличием подстилки;
• эффективностью измельчения.

Отходы животноводства и птицеводства

Бытовые отходы

Растительность

Оценка рентабельности

При оценке рентабельности необходимо учитывать все виды доходов и расходов, в том числе непрямые.

К примеру, выработка электроэнергии для собственных нужд позволяет отказаться от ее покупки, а в некоторых случаях еще и от инвестиций в коммуникации, что можно отнести к непрямым доходам.

Один из видов непрямых доходов – отсутствие претензий со стороны жителей прилегающих земель , вызванных неприятным запахом, который издает сваленный в кучи навоз. Ведь законы РФ гарантируют человеку право дышать чистым воздухом, поэтому при обращении в суд такой истец вполне может выиграть процесс и обязать производителя навоза за свой счет устранять неприятный запах.

Сваливание навоза или помета в кучи не только портит воздух, но также представляет серьезную угрозу для почвы и грунтовых вод . Гниющая естественным образом куча органики резко увеличивает кислотность почвы и вытягивает из нее азот, поэтому даже через несколько лет на этом месте сложно вырастить хоть что-нибудь.

В любых экскрементах содержатся гельминты и возбудители различных болезней, которые, попав в грунтовую воду, могут проникнуть в водопровод или колодец, из-за чего возникнет угроза для животных и людей.

Поэтому возможность рециклинга опасных отходов в относительно безопасные ил и техническую воду можно отнести к очень крупным непрямым доходам.

К непрямым расходам можно отнести потребление газа для выработки электроэнергии и нагрева теплоносителя. Кроме того, на рентабельность влияет возможность продажи отходов переработки, то есть высушенного или влажного шлама (ила) и очищенной технической воды, насыщенной различными микроэлементами.

Многое зависит от размеров капитальных вложений, ведь можно купить все оборудование у известной фирмы и по довольно высокой цене, а можно часть его сделать самостоятельно.

Не менее важным является и уровень автоматизации , ведь чем он выше, тем меньше необходимо работников, а значит, меньше расходов на зарплату и уплату налогов за них.

При правильном выборе оборудования и грамотной организации всего процесса получение биогаза окупается за несколько лет даже без продажи очищенного биогаза.

Ведь к доходам можно отнести :

• заметное снижение расходов, связанных с утилизацией экскрементов;
• повышение плодородности земель за счет удобрения технической водой и шламом;
• снижение затрат на покупку энергоносителей;
• снижение затрат на приобретение удобрений.

Меры безопасности

Производство биогаза – это очень опасный процесс, ведь приходится работать с токсичными и взрывоопасными материалами. Поэтому повышенные меры безопасности необходимо принимать на всех этапах – от разработки проекта оборудования до транспортировки очищенного газа к конечным потребителям и утилизации отходов.

По этой причине разработку проекта биореактора и его изготовление лучше доверить профессионалам . Если же его приходится делать самостоятельно, то желательно за основу брать серийно выпускаемые устройства и тщательно проверять их герметизацию.

Даже небольшая щель или трещина в реакторе или газгольдере приведет к подсосу воздуха и создаст высокую вероятность образования взрывоопасной смеси из метана и кислорода.

Кроме того, попавший внутрь кислород негативно повлияет на активность метаногенов , из-за чего суточная выработка метана снизится, а при достаточном количестве кислорода полностью прекратится. Утечка метана или неочищенного газа в помещении создаст угрозу отравления и высокую вероятность взрыва.

Организация и техническое исполнение всего процесса должны полностью соответствовать этим документам :

Плюсы и минусы по сравнению с другими видами топлива

Для того, чтобы сравнивать между собой различные виды топлива и тем более разные виды энергий, необходимо определить, какие именно параметры подлежат сравнению. При этом сравнивать стоимость некорректно, ведь нормальной цена биогаза станет только после периода окупаемости .

Сравнивать по теплотворной способности также некорректно, потому что далеко не всегда топливо с меньшей теплотворной способностью оказывается хуже более теплотворного.

К примеру, дрова обладают меньшей теплотворной способностью, чем солярка, но во многих случаях они оказываются более подходящим видом топлива.

Поэтому сравнивать разные виды топлива и энергии можно по таким параметрам , как:

1. Пригодность для использования в автомобилях, электрогенераторах и системах отопления (в баллах, 1 балл – подходит для всех, 2 балла – для некоторых, 3 балла – для любого одного).
2. Необходимость создавать специальные условия для хранения (1 балл – можно в любых условиях, 2 балла – нужны специальные емкости, 3 балла – помимо специальных емкостей необходимо дополнительное оборудование, 4 балла – хранение невозможно).
3. Сложность переделки оборудования под другое топливо или энергию (1 балл – минимальные переделки, которые сможет сделать даже человек без опыта; 2 – переделки, доступные более-менее разбирающемуся в вопросе любителю и не требующие какого-то узкоспециализированного оборудования, 3 балла – необходима капитальная переделка).
4. Негативное влияние на экологию (в баллах, 1 – наименьшее, 2 балла – среднее, 3 балла – максимальное);
5. Является ли топливо или энергия возобновляемым (в баллах, 1 балл – полностью (к примеру, ветер или солнечный свет); 2 балла – условно, то есть в определенных условиях, или после каких-то действий, 3 балла – нет).
6. Зависит ли от рельефа местности, времени года и погоды (в баллах, 1 балл – нет, 2 балла – частично, 3 балла – зависит от всего).

Получение разрешения

Несмотря на то, что навоз относится к третьему классу опасности, то есть умеренно опасным отходам, для утилизации необходимо получать лицензию .

Но это относится лишь к тем случаям, когда биогаз или полученную из него электроэнергию собираются продавать.

Кроме того, лицензирование необходимо, если метантенк будет работать на покупном сырье. Если же полученный биогаз будет использован только для нужд того, кто его производит, то нет необходимости получать лицензию.

Кроме того, необходимо получить разрешение на строительство, а также согласовать проект со следующими ведомствами:

• Ростехнадзором;
• Пожарной Инспекцией;
• Газовой службой.

Иногда владельцы мелких и не очень мелких подсобных хозяйств пренебрегают согласованиями и разрешениями, ведь они строят все на своей земле и никому не продают продукты переработки.

Такая позиция чревата серьезным штрафом, ведь биогазовые установки относят к опасным производствам, поэтому они должны быть внесены в государственный реестр опасных производственных объектов Ростехнадзора.

Кроме того, подобные объекты нужно застраховать на случай аварии , а перед запуском их должны проверить специалисты соответствующих ведомств.

Тем не менее, владельцы небольших домашних установок пренебрегают регистрацией, потому что стоимость разрешений сводит на нет все преимущества такого способа утилизации навоза.

Однако делают они это на свой страх и риск, потому что в случае любых чрезвычайных происшествий им придется не только заплатить штрафы за отсутствие сведений в реестре, но и отвечать за все последствия.

Форумы

Мы подготовили список интернет-форумов , где пользователи обсуждают различные вопросы, связанные с получением биогаза из навоза и необходимым для этого оборудованием:

Видео по теме

На видео показаны все этапы процесса переработки навоза в биогаз:

Вывод

Биогаз – это продукт переработки навоза и помета, а также хорошая альтернатива другим видам топлива. Несмотря на необходимость серьезных капитальных вложений, а также оформления множества разрешений и согласований, его производство позволит с пользой утилизировать отходы жизнедеятельности животных и птиц.

Вконтакте

Постоянное повышение стоимости традиционных энергоносителей подталкивает домашних мастеров на создание самодельного оборудования, позволяющего получать из отходов биогаз своими руками. При таком подходе к ведению хозяйства удается не только получить дешевую энергию для отопления дома и других нужд, но и наладить процесс утилизации органических отходов и получения бесплатных удобрений для последующего внесения в почву.

Излишки произведенного биогаза, как и удобрений, можно реализовать по рыночной стоимости заинтересованным потребителям, превратив в деньги то, что буквально «валяется под ногами». Крупные фермеры могут позволить себе купить готовые станции по выработке биогаза, собранные в заводских условиях. Стоимость такого оборудования довольно высока. Однако и отдача от его эксплуатации соответствует сделанным вложениям. Менее мощные установки, работающие по тому же принципу, можно собрать своими силами из доступных материалов и деталей.

Что такое биогаз и как он образуется

В результате переработки биомассы получается биогаз

Биогаз относят к экологически чистым видам топлива. По своим характеристикам биогах во многом сходится с природным газом, добываемым в промышленных масштабах. Представить технологию получения биогаза можно следующим образом:

• в специальной емкости, называемой биореактором, происходит процесс переработки биомассы с участием анаэробных бактерий в условиях безвоздушного брожения в течение определенного периода, длительность которого зависит от объема загруженного сырья;
• в результате происходит выделение смеси газов, состоящей на 60 % из метана, на 35 % - из углекислого газа, на 5 % - из других газообразных веществ, среди которых есть и сероводород в небольшом количестве;
• получаемый газ постоянно отводится из биореактора и после очистки отправляется на использование по назначению;
• переработанные отходы, ставшие высококачественными удобрениями, периодически удаляются из биореактора и вывозятся на поля.

Наглядная схема процесса выработки биотоплива

Чтобы производство биогаза наладить в домашних условиях в непрерывном режиме, надо владеть или иметь доступ к сельскохозяйственным и животноводческим предприятиям. Экономически выгодно заниматься получением биогаза только в том случае, если есть источник бесплатной поставки навоза и иных органических отходов животноводства.

Отопление газом по прежнему остаётся самым надёжным способом обогрева. Подробнее узнать об автономной газификации можно в следующем материале:

Типы биореакторов

Установки для производства биогаза различаются по типу загрузки сырья, сбору полученного газа, размещению реактора относительно поверхности земли, материала изготовления. Бетон, кирпич и сталь являются наиболее подходящими материалами для строительства биореакторов.

По типу загрузки различают биоустановки, в которые загружается заданная порция сырья и проходит цикл переработки, а затем полностью выгружается. Выработка газа в этих установках нестабильна, зато в них можно загружать любые виды сырья. Как правило они имеют вертикальное расположение и занимают мало места.

В систему второго типа ежедневно подгружается порция органических отходов и выгружается равная ей по объему порция готовых ферментированных удобрений. В реакторе всегда остается рабочая смесь. Установка так называемой непрерывной загрузки стабильно вырабатывает больше биогаза и пользуется большой популярностью у фермеров. В основном эти реакторы расположены горизонтально и удобны при наличии свободного места на участке.

Выбранный тип сбора биогаза определяет конструктивные особенности реактора.

• баллонные системы состоят из резинового или пластикового термостойкого баллона, в котором совмещены реактор и газгольдер. Преимущества этого вида реакторов – простота конструкции, загрузки и выгрузки сырья, легкость очистки и транспортировки, малая стоимость. К минусам можно отнести небольшой срок службы, 2-5 лет, возможность повреждения в результате внешних воздействий. К баллонным реакторам относятся и установки канального типа, которые широко используются в Европе для переработки жидких отходов и сточных вод. Такой резиновый верх эффективен при высокой температуре окружающей среды и отсутствии риска повреждений баллона. У конструкции с фиксированным куполом полностью закрытый реактор и компенсирующая емкость для выгрузки шлама. Газ скапливается в куполе, при загрузке очередной порции сырья переработанная масса выталкивается в компенсационную емкость.
• Биосистемы с плавающим куполом состоят из монолитного биореактора, расположенного под землей и подвижного газгольдера, который плавает в специальном водяном кармане или прямо в сырье и поднимается под действием давления газа. Преимуществом плавающего купола является легкость эксплуатации и возможность определения давления газа по высоте поднятия купола. Это отличное решение для крупной фермы.
• При выборе подземного или расположения установки над поверхностью, нужно учитывать уклон рельефа, что облегчает загрузку и выгрузку сырья, усиленную теплоизоляцию подземных конструкций, которая защищает биомассу от суточных колебаний температуры и делает процесс брожения более стабильным.

Конструкция может оснащаться дополнительными устройствами для подогрева и перемешивания сырья.

Рентабельно ли делать реактор и пользоваться биогазом

Строительство биогазовой установки преследует следующие цели:

• производство дешевой энергии;
• выработка легкоусваиваемых удобрений;
• экономия на подключении к дорогостоящей канализации;
• переработка отходов хозяйства;
• возможная прибыль от продажи газа;
• снижение интенсивности неприятного запаха и улучшение экологической обстановки на территории.

График рентабельности выработки и использования биогаза

Для оценки выгоды строительства биореактора рачительному хозяину следует учесть следующие аспекты:

• затраты на биоустановку относятся к долгосрочным капиталовложениям;
• самодельное биогазовое оборудование и установка реактора без привлечения сторонних специалистов обойдется гораздо дешевле, но и его эффективность ниже, чем у дорогого заводского;
• для поддержания стабильного давления газа, у фермера должен быть доступ к отходам животноводческого производства в достаточном количестве и на длительный срок. В случае высоких цен на электроэнергию и природный газ или отсутствие возможности газификации, использование установки становится не только выгодным, но и необходимым;
• для крупных хозяйств с собственной сырьевой базой, выгодным решением будет включение биореактора в систему теплиц и ферм КРС;
• для небольших ферм повысить эффективность можно путем монтажа нескольких небольших реакторов и загружать сырье в разные промежутки времени. Это позволит избежать перебоев с газом при недостатке исходного сырья.

Как построить биореактор своими силами

Решение о строительстве принято, теперь нужно спроектировать установку и рассчитать необходимые материалы, инструменты и оборудование.

Важно! Стойкость к агрессивным кислым и щелочным средам – основное требование к материалу биореактора.

Если в наличии есть металлическая цистерна – ее можно использовать при условии защитного покрытия от коррозии. При выборе емкости из металла обратите внимание на наличие сварных швов и их прочность.

Прочный и удобный вариант – емкость из полимера. Этот материал не гниет и не ржавеет. Прекрасно выдержит нагрузку бочка с толстыми жесткими стенками или армированная.

Самый дешевый способ – выкладка емкости из кирпича или камня, бетонных блоков. Для увеличения прочности стены армируют и покрывают внутри и снаружи многослойным гидроизоляционным и газонепроницаемым покрытием. Штукатурка должна содержать присадки, обеспечивающие заданные свойства. Наилучшая форма, которая позволит выдержать все нагрузки давления – овальная или цилиндрическая.

В основании этой емкости предусматривают наличие отверстия, через которое будет удаляться отработанное сырье. Данное отверстие должно плотно закрываться, ведь система эффективно работает лишь в герметичных условиях.

Расчёт необходимых инструментов и материалов

Для выкладки кирпичной емкости и устройства всей системы понадобятся следующие инструменты и материалы:

• ёмкость для замешивания цементного раствора или бетономешалка;
• дрель с насадкой миксер;
• щебень и песок для устройства дренажной подушки;
• лопата, рулетка, мастерок, шпатель;
• кирпич, цемент, вода, мелкофракционный песок, арматура, пластификатор и другие необходимые присадки;
• сварочный аппарат и крепеж для монтажа металлических труб и комплектующих;
• водяной фильтр и ёмкость с металлической стружкой для очистки газа;
• баллоны от шин или стандартные пропановые баллоны для хранения газа.

Размер бетонного резервуара определяется из количества органических отходов, появляющихся ежесуточно в частном подворье или фермерском хозяйстве. Полноценная работа биореактора возможно в случае его заполнения на две трети от имеющегося объема.

Определим объем реактора для небольшого частного хозяйства: если в наличии есть 5 коров, 10 свиней и 40 кур, то за сутки их жизнедеятельности образуется помета 5 х 55 кг + 10 х 4,5 кг + 40 х 0,17 кг = 275 кг + 45 кг + 6,8 кг = 326,8 кг. Чтобы довести куриный помет до необходимой влажности 85% необходимо долить 5 литров воды. Общая масса = 331,8 кг. Для переработки за 20 дней необходимо: 331,8 кг х 20 = 6636 кг - около 7 кубов только под субстрат. Это две трети нужного объема. Чтобы получить результат, нужно 7х1,5= 10,5 куб. Полученная величина и есть необходимый объём биореактора.

Помните, что добыть большое количество биогаза в маленьких емкостях не получится. Выход напрямую зависит от массы перерабатываемых в реакторе органических отходов. Так, чтобы получить 100 кубических метров биогаза, надо переработать тонну органических отходов.

Подготовка места для устройства биореактора

Органическая смесь, загружаемая в реактор не должна содержать антисептиков, моющих средств, химических веществ, вредных для жизнедеятельности бактерий и замедляющих выработку биогаза.

Важно! Биогаз является воспламеняющимся и взрывоопасным.

Для правильной работы биореактора необходимо соблюдать те же правила, что и для любых газовых установок. Если оборудование герметично, биогаз своевременно отводится в газгольдер, то проблем не возникнет.

Если же давление газа превысит норму или будет травить при нарушении герметичности, возникает риск взрыва, поэтому рекомендуется установить датчики температуры и давления в реакторе. Вдыхание биогаза также опасно для здоровья человека.

Как обеспечить активность биомассы

Ускорить процесс брожения биомассы можно с помощью ее подогрева. Как правило, в южных регионах такой проблемы не возникает. Температуры окружающего воздуха хватает для естественной активации процессов брожения. В регионах с суровыми климатическими условиями в зимнее время без подогрева вообще невозможна эксплуатация установки по производству биогаза. Ведь процесс брожения запускается при температуре, превышающей отметку в 38 градусов по Цельсию.

Организовать подогрев резервуара с биомассой можно несколькими способами:

• подключить к системе отопления змеевик, расположенный под реактором;
• установить в основании емкости электрические нагревательные элементы;
• обеспечить прямой нагрев резервуара путем использования электрических отопительных приборов.

Бактерии, влияющие на выработку метана, находятся в спящем состоянии в самом сырье. Их активность повышается при определенном уровне температуры. Обеспечить нормальное течение процесса позволит установка автоматизированной системы подогрева. Автоматика включит обогревательное оборудование при поступлении в биореактор очередной холодной партии, а затем выключит, когда биомасса прогреется до заданного уровня температуры.

Подобные системы контроля температуры устанавливаются в водогрейных котлах, поэтому их можно приобрести в магазинах, специализирующихся на продаже газового оборудования.

На схеме показан весь цикл, начиная от загрузки твердого и жидкого сырья, и заканчивая отводом биогаза к потребителям

Важно заметить, что активизировать выработку биогаза в домашних условиях можно с помощью перемешивания биомассы в реакторе. Для этого изготавливают устройство, конструктивно похожее на бытовой миксер. Привести устройство в движение может вал, который выводят через отверстие, расположенное в крышке или стенках резервуара.

Какие специальные разрешения требуются на установку и использование биогаза

Чтобы построить и эксплуатировать биореактор, а также использовать полученный газ, нужно еще на стадии проектирования озаботиться получением необходимых разрешений. Согласование нужно пройти с газовой службой, пожарниками и Ростехнадзором. В целом правила установки и эксплуатации аналогичны правилам пользования обычным газовым оборудованием. Строительство должно производиться строго по СНИПам, все трубопроводы должны быть желтого цвета и иметь соответствующую маркировку. Готовые системы, изготовленные на заводе, стоят в разы дороже, но имеют все сопроводительные документы, соответствуют всем техническим требованиям. Производители дают на оборудование гарантию и производят обслуживание и ремонт своей продукции.

Самодельная установка для получения биогаза может позволить экономить на оплате энергоносителей, занимающих большую долю в определении себестоимости сельскохозяйственной продукции. Снижение расходов на выпуск продукции скажется на увеличении рентабельности фермерского хозяйства или частного подворья. Теперь, когда вы знаете, как получить из имеющихся отходов биогаз, остается лишь реализовать идею на практике. Многие фермеры уже давно научились из навоза делать деньги.

Повышение цен на энергоресурсы вынуждает искать альтернативные варианты обогрева. Хороших результатов можно добиться путем самостоятельного производства биогаза из доступного органического сырья. В этой статье мы расскажем о цикле производства, устройстве биореактора и сопутствующем оборудовании.

При соблюдении элементарных эксплуатационных правил газовый реактор полностью безопасен и способен обеспечить топливом и электроэнергией хоть небольшой дом, хоть целый агропромышленный комплекс. Результат работы биореактора — не только газ, но и один из самых ценных видов удобрений, основная составляющая натурального гумуса.

Как получают биогаз

Для получения биогаза органическое сырье помещают в условия, благоприятные для развития нескольких видов бактерий, которые в процессе жизнедеятельности выделяют метан. Биомасса проходит три цикла превращений, и на каждом этапе принимают участие разные штаммы анаэробных организмов. Кислород для их жизнедеятельности не требуется, но имеет большое значение состав сырья и его консистенция, а также температура и внутреннее давление. Оптимальными считаются условия с температурой 40-60 °С при давлении до 0,05 атм. Загруженное сырье начинает вырабатывать газ после продолжительной активации, которая занимает от нескольких недель до полугода.

Начало выхода газа в расчетном объеме свидетельствует о том, что колонии бактерий уже достаточно многочисленны, поэтому спустя 1-2 недели в реактор дозировано добавляют свежее сырье, которое почти сразу активируется и вступает в цикл производства.

Для поддержания оптимальных условий сырье периодически перемешивают, используют часть тепла от газового отопления для поддержания температуры. Полученный газ содержит от 30 до 80% метана, 15-50% углекислого газа, небольшие примеси азота, водорода и сероводорода. Для использования в хозяйстве газ обогащают, удаляя из него углекислоту, после этого топливо может быть применено в широком спектре энергооборудования: от двигателей электростанций до отопительных котлов.

Какое сырье подходит для производства

Вопреки расхожему мнению, навоз не является лучшим сырьем для производства биогаза. Выход топлива из тонны чистого навоза всего 50-70 м 3 с концентрацией 28-30%. Однако именно в отходах жизнедеятельности животных содержится большинство необходимых бактерий для быстрого запуска и поддержания эффективной работы реактора.

По этой причине навоз смешивают с отходами растениеводства и пищевой промышленности в соотношении 1:3. В качестве растительного сырья используют:

Сырье нельзя просто засыпать в реактор, нужна определенная подготовка. Исходный субстрат измельчают до фракции 0,4-0,7 мм и разбавляют водой в количестве около 25-30% от сухой массы. В больших объемах смесь требует более тщательного смешивания в устройствах гомогенизации, после чего она готова к загрузке в реактор.

Строительство биореактора

Требования к условиям размещения реактора такие же, как и для пассивного септика. Основная часть биореактора — метантенк — емкость, в которой происходит весь процесс сбраживания. Для снижения затрат на прогрев массы реактор вкапывают в землю. Таким образом температура среды не опускается ниже 12-16 °С, а отток тепла, образующийся при реакции, остается минимальным.

Схема биогазовой установки: 1 — бункер загрузки сырья; 2 — биогаз; 3 — биомасса; 4 — бак компенсатор; 5 — люк для извлечения отходов; 6 — клапан сброса давления; 7 — газовая трубка; 8 — гидрозатвор; 9 — к потребителям

Для метантенков объемом до 3 м 3 допускается использовать капроновые емкости. Поскольку толщина и материал их стенок не препятствуют оттоку тепла, емкости обкладывают слоями пенополистирола или влагостойкой минеральной ваты. Дно котлована бетонируют стяжкой 7-10 см с армированием, чтобы исключить выдавливание реактора из грунта.

Самый подходящий материал для строительства крупных реакторов — армированный керамзитобетон. Он имеет достаточную прочность, низкую теплопроводность и высокий эксплуатационный ресурс. Перед заливкой стен камеры нужно смонтировать наклонную трубу для подачи смеси в реактор. Ее диаметр составляет 200-350 мм, нижний конец должен находиться в 20-30 см от дна.

В верхней части метантенка расположен газгольдер — купольная или конусная конструкция, концентрирующая газ в верхней точке. Газгольдер может быть выполнен из листового металла, однако в небольших установках свод выполняют кирпичной кладкой, а затем оббивают стальной сеткой и штукатурят. При сооружении газгольдера необходимо предусмотреть в его верхней части герметичный проход двух трубок: для забора газа и установки клапана сброса давления. Еще одну трубу диаметром 50-70 мм закладывают для откачки отработанной массы.

Емкость реактора должна быть герметичной и выдерживать давление в 0,1 атм. Для этого внутреннюю поверхность метантенка покрывают сплошным слоем обмазочной битумной гидроизоляции, а на вершине газгольдера монтируют герметичный люк.

Отвод газа и обогащение

Из-под купола газгольдера газ отводят через трубопровод в емкость с водяным затвором. Толщина водного слоя над выходом трубки определяет рабочее давление в реакторе и обычно составляет 250-400 мм.

После водяного затвора газ может использоваться в отопительном оборудовании и для приготовления пищи. Однако для работы двигателей внутреннего сгорания нужно более высокое содержание метана, поэтому газ обогащают.

Первый этап обогащения — снижение концентрации углекислоты в газе. Для этого можно использовать специальное оборудование, работающее на принципе химической абсорбции или на полупроницаемых мембранах. В домашних условиях обогащение возможно также методом пропускания газа через толщу воды, в которой растворяется до половины СО 2 . Газ распыляется на мелкие пузырьки через трубчатые аэраторы, насыщенная углекислотой вода должна периодически отводиться и распыляться в условиях нормальной атмосферы. В растениеводческих комплексах такую воду успешно используют в системах гидропоники.

На втором этапе обогащения снижают влажности газа. Эта функция присутствует в большинстве обогатительных устройств фабричного изготовления. Самодельные осушители имеют вид Z-образной трубки, заполненной силикагелем.

Использование биогаза: специфика и оборудование

Большинство современных моделей отопительной техники рассчитаны на работу с биогазом. Устаревшие котлы могут быть относительно легко переоборудованы заменой горелки и устройства подготовки газовоздушной смеси.

Для получения газа под рабочим давлением используется обычный поршневой компрессор с ресивером, установленный на работу с давлением в 1,2 от расчетного. Нормализация давления осуществляется газовым редуктором, это помогает избежать перепадов и поддерживать ровное пламя.

Производительность биореактора должна быть как минимум на 50% выше потребления. Излишков газа в производстве не образуется: когда давление превышает 0,05-0,065 атм, реакция почти полностью замедляется, и восстанавливается только после того, как часть газа будет откачана.

Биогаз - газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трех видов бактерий.

В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих.
Первый вид - бактерии гидролизные, второй - кислотообразующие, третий - метанообразующие.
В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. В процессе брожения из биоотходов вырабатывается биогаз. Этот газ может использоваться как обычный природный газ - для обогрева, выработки электроэнергии. Его можно сжимать, использовать для заправки автомобиля, накапливать, перекачивать. По сути, как хозяин и полноправный владелец вы получаете собственную газовую скважину и доходы от нее. Регистрировать собственную установку пока еще нигде не нужно.

Состав и качество биогаза

50-87% метана, 13-50% СO2, незначительные примеси Н2 и H2S. После очистки биогаза от СO2 получается биометан; это - полный аналог природного газа, отличие только в происхождении.
Поскольку лишь метан поставляет энергию из биогаза, целесообразно для описания качества газа, выхода газа и количества газа все относить к метану, с его нормируемыми показателями.

Объем газов зависит от температуры и давления. Высокие температуры приводят к растяжению газа и к уменьшаемому вместе с объемом уровню калорийности, и наоборот. При возрастании влажности калорийность газа также снижается. Чтобы выходы газа можно было сравнить между собой, необходимо их соотносить с нормальным состоянием (температура 0 С, атмосферное давление 1 бар, относительная влажность газа 0%). В целом данные о производстве газа выражают в литрах (л) или кубометрах метана на килограмм органического сухого вещества (оСВ); это намного точнее и красноречивее, нежели данные в кубических метрах биогаза в кубометрах свежего субстрата.

Сырье для получения биогаза

Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, птичий помет, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цехов (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов - соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля - технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков - жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки - мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов - очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа.

Расчет полезного биогаза в фермерском хозяйстве

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50-65 м3 биогаза с содержанием метана 60%, 150-500 м3 биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70%. Максимальное количество биогаза - 1300 м3 с содержанием метана до 87% - можно получить из жира.
Различают теоретический (физически возможный) и технически реализуемый выход газа. В 1950-1970-х годах технически возможный выход газа составлял всего 20-30% от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на обычной установке с 60% до 95%.

В биогазовых расчетах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Сама по себе вода, содержащаяся в биомассе, не дает газа.
На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 л биогаза.

Чтобы посчитать выход биогаза из конкретного сырья, необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные, а затем определить содержание жиров, белков и углеводов. При определении последних важно узнать процентное содержание, быстро разлагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудноразлагаемых веществ (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин).

Определив содержание веществ, можно вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить. Когда биогаз ассоциировался с навозом (на селе такая ситуация сохранилась и сегодня - спрашивал в таежном районном центре, Верховажье Вологодской области), применяли понятие «животной единицы». Сегодня, когда биогаз научились получать из произвольного органического сырья, это понятие отошло и перестало использоваться.

А ведь, кроме отходов, биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, к примеру из силосной кукурузы или сильфия, а также водорослей. Выход газа может достигать до 500 м3 из 1 т.

Свалочный газ - одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов.

Экологический аспект в использовании биогаза

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз сильнее, чем смесь СO2, и находится в атмосфере до 12 лет. Захват и ограничение распространения метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления. Вот где на стыке исследований выявляется еще одна, мало исследования пока область науки.

Переработанный навоз, барда и другие отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.

Производство биогаза

Различают промышленные и кустарные установки.
Промышленные установки отличаются от кустарных наличием механизации, систем подогрева, гомогенизации, автоматики. Наиболее распространенный промышленный метод - анаэробное сбраживание в метантенках.

Надежная биогазовая установка должна иметь необходимые части:

Емкость гомогенизации;
загрузчик твердого (жидкого) сырья;
непосредственно реактор;
мешалки;
газгольдер;
система смешивания воды и отопления;
газовая система;
насосная станция;
сепаратор;
приборы контроля;
система безопасности.

Особенности установки по производству биогаза

В промышленной установке отходы (сырье) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный железобетонный резервуар, оборудованный миксерами.

В реакторе «живут» полезные бактерии, которые питаются отходами. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма - отходов, подогрев до 35 °С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, практически герметичен и неопасен.

Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийная технология.

К примеру, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Он позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей.

Знаковые факторы, влияющие на процесс брожения:

Температура;
влажность среды;
уровень рН;
соотношение С: N: Р;
площадь поверхности частиц сырья;
частота подачи субстрата;
замедляющие реакцию вещества;
стимулирующие добавки.

Применение биогаза

Биогаз используют в качестве топлива для производства электроэнергии, тепла или пара или в качестве автомобильного топлива. Биогазовые установки могут использоваться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах и как частный случай могут заменить даже ветеринарно-санитарный завод, где падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясокостной муки.