Преимущества и недостатки системы
Биогазовые установки имеют немало преимуществ, но и недостатков хватает, поэтому перед началом проектирования и строительства следует все взвесить:
- Утилизация отходов. Благодаря биогазовой установке можно получить максимум пользы от мусора, от которого все равно пришлось бы избавляться. Эта утилизация менее опасна для окружающей среды, чем закапывание отходов.
- Возобновляемость сырья. Биомасса – это не уголь и не природный газ, добыча которых истощает запасы ресурсов. При ведении сельского хозяйства сырье появляется постоянно.
- Относительная небольшое количество СО2. При получении газа окружающая среда не загрязняется, а вот при его использовании в атмосферу выделяется небольшое количество двуокиси углерода. Оно не опасно и не способно критично изменить экологию, т.к. его поглощают растения в процессе роста.
- Умеренное выделение серы. При сгорании биогаза в атмосферу попадает небольшое количество серы. Это негативное явление, однако его масштабы познаются в сравнении: при сжигании природного газа загрязнение окружающей среды окислами серы гораздо больше.
- Стабильная работа. Производство биогаза более стабильно, чем работа солнечных батарей или ветряков. Если энергией солнца и ветра нельзя управлять, то биогазовые установки зависят от деятельности человека.
- Можно использовать несколько установок. Газ – это всегда риски. Чтобы снизить потенциальный ущерб в случае аварии, можно рассредоточить по участку несколько биогазовых установок. Если правильно спроектировать и собрать систему из нескольких ферментаторов, она будет работать стабильнее, чем один крупный биореактор.
- Выгоды для сельского хозяйства. Для получения биомассы высаживают некоторые виды растений. Можно выбрать такие, которые улучшают состояние грунта. Например, сорго снижает эрозию почвы, улучшает ее качество.
У биогаза есть и недостатки. Хотя это относительно чистое топливо, оно все же загрязняет атмосферу. Также могут возникать проблемы с поставками растительной биомассы.
Безответственные владельцы установок нередко заготавливают ее так, что истощают землю и нарушают экологический баланс.
Механизм образования газа из органического сырья
Биогаз – это летучее вещество без цвета и какого-либо запаха, в котором содержится до 70% метана. По своим качественным показателям он приближается к традиционному виду топлива – природному газу. Отличается хорошей теплотворной способностью, 1м3 биогаза выделяет столько тепла, сколько получается при сгорании полутора килограмм угля.
Образованию биогаза мы обязаны анаэробным бактериям, которые активно трудятся над разложением органического сырья, в качестве которого используются навоз сельскохозяйственных животных, птичий помет, отходы любых растений.
В самостоятельном производстве биогаза может использоваться птичий помет и продукты жизнедеятельности мелкого и крупного домашнего скота. Сырье может применяться в чистом виде и в форме смеси с включением травы, листвы, старой бумаги
Для активизации процесса необходимо создать благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий. Они должны быть схожи с теми, в которых микроорганизмы развиваются в естественном резервуаре – в желудке животных, где тепло и отсутствует кислород.
Собственно, это и есть два основных условия, способствующих чудесному превращению гниющей навозной массы в экологически чистое топливо и ценные удобрения.
Для получения биогаза нужен герметичный реактор без доступа воздуха, где будет происходить процесс брожения навоза и разложения его на составляющие:
- метан (до 70%);
- углекислый газ (примерно 30%);
- другие газообразные вещества (1-2%).
Образовавшиеся газы поднимаются кверху емкости, откуда их затем выкачивают, а вниз оседает остаточный продукт – высококачественное органическое удобрение, сохранившее в результате обработки все ценные вещества, имеющиеся в навозе – азот и фосфор, и потерявшее значительную часть патогенных микроорганизмов.
Реактор для получения биогаза должен иметь полностью герметичную конструкцию, в которой отсутствует кислород, в противном случае процесс разложения навоза будет проходить крайне медленно
Второе важное условие для эффективного разложения навоза и образования биогаза – соблюдение температурного режима. Бактерии, принимающие участие в процессе, активизируются при температуре от +30 градусов. Причем в навозе содержится два вида бактерий:
Причем в навозе содержится два вида бактерий:
- мезофильные. Их жизнедеятельность происходит при температуре +30 – +40 градусов;
- термофильные. Для их размножения необходимо соблюсти температурный режим +50 (+60) градусов.
Время переработки сырья в установках первого типа зависит от состава смеси и составляет от 12 до 30 суток. При этом 1 литр полезной площади реактора дает 2 л биотоплива. При использовании установок второго типа время выработки конечного продукта сокращается до трех дней, а количество биогаза возрастает до 4,5 л.
Эффективность термофильных установок видна невооруженным глазом, однако и цена их обслуживания очень высока, поэтому прежде чем выбрать тот или иной способ получения биогаза, необходимо очень тщательно все просчитать
Несмотря на то, что эффективность термофильных установок в десятки раз выше, применяются они гораздо реже, поскольку поддержание высоких температур в реакторе связано с большими расходами.
Обслуживание и содержание установок мезофильного типа дешевле, поэтому большинство фермерских хозяйств для получения биогаза используют именно их.
Биогаз по критериям энергетического потенциала немногим уступает привычному газовому топливу. Однако в его составе есть сернокислые испарения, наличие которых следует учесть при выборе материалов для сооружения установки
Дополнительное оборудование
К дополнительному оборудованию, без которого невозможна работа биореактора, относят:
- измельчающее устройство;
- источник тепловой энергии;
- систему сброса технической воды;
- хранилище сапропеля;
- очистную установку;
- основной газгольдер;
- установку сжижения газа;
- газгольдер для сжиженного газа;
- управляющую систему.
Измельчающее устройство
Измельчающее устройство принимает поступающую с мест содержания животных/птиц навозную/пометную жижу, а также смытую или убранную вручную подстилку и измельчает все крупные фрагменты, чтобы облегчить работу бактерий.
Кроме того, измельчающее устройство смешивает измельченную массу с водой, чтобы обеспечить необходимый уровень влажности, причем во время смешивания происходит доизмельчение материала.
Такой измельченный и разведенный водой материал называют субстратом.
После подготовки субстрат по трубам поступает в метантенк и смешивается с находящимся в нем веществом.
Источник тепловой энергии
Чаще всего роль такого источника исполняет адаптированный для работы на метане газовый котел, который в зимнее время также снабжает теплом систему отопления.
При этом необходимо постоянно отслеживать температуру внутри биореактора, чтобы она все время находилась в оптимальных пределах и, при необходимости, увеличивать или снижать подачу газа, для чего внутри емкости устанавливают датчики температуры.
Система сброса технической воды
Сливаемая с биореактора техническая вода содержит немного органических и неорганических веществ, но в ней нет ни возбудителей болезней, ни яиц или личинок глистов, а также семян сорняков. Поэтому ее можно использовать для полива, а также для разведения составов, используемых для подкормки.
Для реализации всех этих возможностей система, помимо периодически открываемого сливного клапана, должна содержать емкость для технической воды и средства доставки к месту использования.
Хранилище сапропеля
Скапливающийся на дне метантенка сапропель через специальный клапан поступает в хранилище, где постепенно накапливается.
Он является хорошим удобрением, сопоставимым с перегноем, однако менее качественно разрыхляющим почву.
Тем не менее, сапропель эффективно заменяет многие комплексные удобрения, ведь содержит широкий спектр органических и неорганических веществ.
После заполнения хранилище открывают и извлекают из него собранный материал, который затем вносят в почву.
Очистное устройство
Биогаз состоит из метана (50–60%) и других газов, поэтому в неочищенном состоянии обладает малой теплотворной способностью.
Такой очищенный биогаз по своей теплотворной способности сопоставим с природным и сжиженным газом, поэтому его можно использовать в качестве топлива для любых устройств, изначально работающих на указанных видах топлива.
Основной газгольдер
Это оборудование необходимо для сглаживания перепадов давления газа во время подключения или отключения потребителей. Газгольдер изготавливают из стали, благодаря чему он выдерживает давление в десятки или сотни атмосфер.
Вместе с газгольдером работает и насос, закачивающий в него газ под необходимым давлением.
Аппарат сжижения газа и газгольдер для его хранения
Эта установка позволяет запасать газ в те периоды, когда потребление меньше производства. Дело в том, что сжиженный газ занимает гораздо меньше места, поэтому при одинаковом объеме хранилища его можно запасти заметно больше.
Аппарат сжижает газ с помощью охлаждения, благодаря чему он переходит из газообразного в жидкое состояние.
Газгольдер для сжиженного газа изготавливают из высокопрочной стали, а также тщательно утепляют, ведь давление внутри газгольдера зависит не только от количества сжиженного метана, но и от его температуры.
Такой газгольдер позволяет в летние месяцы делать запас сжиженного метана, который зимой можно будет использовать для отопления или других нужд, компенсируя им недостаточную выработку биогаза. Кроме того, сжиженный газ из газгольдера хорошо подходит для заправки автомобилей и иной техники, работающей на таком виде топлива.
Управляющая система
Для обеспечения максимальной выработки биогаза, а также для увеличения доли метана в нем необходимо не только поддерживать оптимальную температуру, но и своевременно выполнять все необходимые действия, то есть:
- подавать субстрат;
- отводить воду;
- удалять сапропель;
- регулировать работу очистной и сжижающей установок.
Кроме того, к ней подключены датчики, отслеживающие состояние и работоспособность всех входящих в нее устройств.
Отходы биомассы после получения газа
После переработки навоза в реакторе побочным продуктом является биошлам. При анаэробной переработке отходов бактерии растворяют около 30% органического вещества. Остальное выделяется в неизменном виде.
Жидкая субстанция также является побочным продуктом метанового брожения и также используется в сельском хозяйстве для корневых подкормок.
Углекислый газ – ненужная фракция, которую производители биогаза стремятся удалить. Но если растворить ее в воде, то эта жидкость также может приносить пользу.
Полное использование продуктов биогазовой установки
Чтобы полностью утилизировать продукты, получаемые после переработки навоза, необходимо содержать теплицу. Во-первых – органическое удобрение можно использовать для круглогодичного выращивания овощей, урожайность которых будет стабильной.
Во-вторых – углекислый газ используется как подкормка – корневая или внекорневая, а его на выходе получается около 30%. Растения поглощают углекислоту из воздуха и при этом лучше растут и набирают зеленую массу.
Если проконсультироваться со специалистами данной области, то они помогут установить оборудование, которое переводит углекислый газ из жидкой формы в летучее вещество.
Видео: Биогаз за 2 дня
Дело в том, что для содержания животноводческой фермы полученных энергоресурсов может быть много, особенно летом, когда не нужен подогрев коровника или свинарника.
Поэтому рекомендуется заняться еще одним прибыльным видом деятельности – экологически чистая теплица. Остатки продукции можно хранить в охлаждаемых помещениях – за счет все той же энергии. Холодильное или любое другое оборудование может работать на электричестве, которое вырабатывает газовая аккумуляторная батарея.
Технология получения биогаза
Изготовление биогаза возможно при помощи бактерий, для жизнедеятельности которых не нужен кислород. Потому для производства биогаза необходимо соорудить герметичные емкости, в которых будет происходить брожение сырья. Трубы для отвода сконструированы в емкостях таким образом, что воздух из внешней среды не способен просочиться внутрь.
Сначала резервуар наполняют жидким сырьем и повышают температуру до необходимой отметки, чтобы мироорганизмы начали работать. Метан поднимается вверх из жидкого навоза, накапливается в специальных резервуарах, в которых проходит этап фильтрации. Дальше его собирают в газовые баллоны. Использованные массы навоза накапливаются на дне емкостей, откуда периодически их вынимают и хранят в других местах. После откачивания отработанной жидкости в резервуар подается новый навоз.
Температурный режим функционирования бактерий
Метан может выделяться из навоза только при создании для него подходящего температурного режима. Навоз содержит в себе разные бактерии, которые активизируются и выделяют биогаз при разных температурах и с разной скоростью:
- Мезофильные бактерии. Начинают работать, если температура окружающей среды становится выше 30 градусов. Вырабатывается биогаз очень медленно – продукцию можно будет собрать спустя полмесяца.
- Термофильные бактерии. Для их активации требуется температура, равная 50-65 градусам. Биогаз можно будет собрать уже через три дня. Особую ценность представляет шлам – отходы навоза после сильного нагрева. Это полезное удобрение и, главное, безвредное – любые гельминты, семена сорняков, патогенные микроорганизмы уничтожаются при нагревании.
- Встречается и другой вид термофильных бактерий, выживающих при нагревании до температуры в 90 градусов. Их дополнительно включают в навоз, чтобы брожение происходило быстрее.
Минус хранения сырья в том, что оно не должно подвергаться скачкам температур. Потому в зимнее время необходимо позаботиться о теплом помещении для складирования навоза.
Подготовка сырья для заливки в реактор
Как правило, дополнительно обогащать навоз микроорганизмами нет необходимости, так как они уже содержатся в нем. Все, что необходимо делать – это правильно подготовить навозный раствор, следить за температурой и вовремя менять сырье в биореакторе.
Влажность сырья должна составлять не менее 90 % (по консистенции как жидкая сметана). Потому перед использованием сухой помет (коз, овец, коней, кроликов) смешивают с водой. Навоз свиньи разводить нет необходимости из-за высокого содержания в нем мочи.
Также важно, чтобы навоз был однородным, без твердых частиц. От мелкости фракций зависит количество образуемого на выходе биогаза
По этой причине внутри оборудования устанавливается постоянно работающая мешалка, уничтожающая твердую корку на поверхности сырья и мешающая выделению метана.
Лучше всего для процесса подойдут отходы с высокой кислотностью (навоз свиней и коров)
При снижении показателя кислотности бактерии замедляют свою работу, потому важно в первые разы выяснить, за какое время происходит полная переработка одной порции навозного раствора, и лишь потом заливать его заново
Технология очистки газа
Получаемый продукт содержит около семидесяти процентов метана, один процент примесей (сероводородных и некоторых летучих элементов) и чуть менее тридцати процентов углекислого газа.
Использовать его как топливо можно только после очищения от примесей. Сероводородные соединения убирают при помощи специальных фильтров. Это необходимо делать по той причине, что такое вещество, образуя с водой кислоту, ускоряет процессы коррозии металлов, труб, резервуара и всей биогазовой установки, если она металлическая.
Углекислый газ также необходимо убрать из топлива, но это требует немало времени:
- В первую очередь биогаз сжимают при сильном давлении.
- В емкость направляют воду, в которой примесь растворится.
Уменьшение содержания влаги
На данном этапе очистку сырья проводят разными способами.
Первый способ похож на работу самогонного аппарата. Биогаз направляют вверх по холодным трубкам. Вода переходит в конденсат и стекает по трубке вниз, в то время как метан направляется в резервуар для дальнейшего хранения.
Другой способ – использование гидрозатвора. Полученный биогаз смешивают с водой, где остаются все примеси. Такой способ требует меньше времени на очистку, так как вода избавляет и от лишней жидкости, и от ненужных элементов.
Принцип работы установки
Процесс получения биогаза из навоза или другого сырья называется ферментацией, а сбраживание осуществляется за счет жизнедеятельности специальных бактерий. При этом на поверхности сырья образуется корка, которую необходимо постоянно разрушать. Делать это нужно, тщательно перемешивая содержимое вручную или с использованием специальных приборов внутри реактора. В результате подобных манипуляций и высвобождается биогаз.
Полученный биогаз после очистки собирается в специальную емкость — газгольдер, из которой он проводится по газовым трубам к месту использования. Переработанное сырье превращается в биоудобрение. Оно выгружается через специальное отверстие, а затем может вноситься в почву или использоваться в качестве кормовой добавки для животных, что зависит от исходного сырья.
Чтобы получить биогаз своими руками, кроме соблюдения режима отсутствия кислорода следует еще выполнить несколько условий:
- Доступность питательных веществ для бактерий.
- Соблюдение температурного режима.
- Выбор правильного времени для сбраживания.
- Соблюдение кислотного и щелочного баланса.
- Своевременная загрузка и выгрузка сырья.
- Соблюдение пропорций твердых частиц в сырье и своевременное перемешивание.
Биогазовые установки для дома – купить или же сделать самому?
Если крупные фермеры могут себе позволить купить биогазовую установку созданную в промышленных условиях, то мелкие предприятия, а уж тем более частные домовладельцы скорее смогут не купить, а смонтировать своими руками менее мощные установки, функционирующие по тому же методу, из подручного материала. Но сперва необходимо понять, каких именно размеров, а главное какого типа установку вы хотите получить на своем участке.
Схема установки для получения биогаза для предприятий, ферм
Типов установок, как и видов брожения органических веществ всего два – с поступлением воздуха (аэробный) и без него (анаэробный). При аэробном брожении в процессе распада биомасс водород окисляется до воды, а углерод – до углекислого газа. Причем в этот момент выделяется большое количество тепловой энергии – бродящая биомасса сильно нагревается.
При анаэробном брожении 60-70 % углерода превращается в метан, а оставшаяся его часть – в водород, углекислоту и азот. Для сжигания метана хорошо подходит обычная газовая конфорка.
Биогазовый заводик у колхозного амбара
Аэробный метод получения энергии легче и проще анаэробного. Он не требует производства герметичных бродильных камер и контроля. Аэробные установки называются БТС (биотермические станции). А анаэробные – БЭС (биоэнергетические или биогазовые станции). В качестве сырья для брожения годятся любой органический сельскохозяйственный продукт. Одна израильская компания, например, представила компактную установку по добыванию биогаза, функционирующую исключительно на фруктовых и овощных очистках.
Подземная установка для производства биотоплива
Чтобы сэкономить пространство, лучше всего строить подземные установки. Это самый простой способ получить биогаз в домашних условиях. Для обустройства подземного биореактора вам нужно выкопать яму и залить ее стены и дно армированным бетоном.
С двух сторон в емкости делают отверстия для входной и выходной трубы. Причем выходная труба должна находиться у основания контейнера для откачки отработанной массы. Ее диаметр – 7-10 см. Входное отверстие диаметром 25-30 см лучше всего располагать в верхней части.
Биотоплевная подземная установка
Сверху установку закрывают кирпичной кладкой и устанавливают газгольдер для приемки биогаза. На выходе из емкости нужно сделать клапан для регуляции давления.
Биогазовую установку можно закопать во дворе частного дома и подвести к ней канализацию и отходы домашнего скота. Перерабатывающие реакторы могут полностью покрывать нужды семьи в электричестве и отоплении. Дополнительный плюс в получении удобрения для огорода.
Биореактор своими руками – это способ получать энергию из подножного материала и делать деньги из навоза. Он сокращает расходы фермерского хозяйства на электроэнергию и увеличивает рентабельность. Вы можете сделать его самостоятельно или заказать установку. Цена на нее зависит от объема, начинается от 7000 рублей.
Технология получения биологического топлива
Все бактерии, которые принимают участие в образовании биогаза, являются анаэробными, то есть кислород для жизнедеятельности им не нужен. Для этого сооружают полностью герметичные емкости для брожения, отводные трубы которых также не пропускают воздух извне.
После заливки в резервуар сырьевой жидкости и повышения температуры до нужной величины бактерии начинают работу. Начинает выделяться метан, который поднимается с поверхности навозной жижи. Он направляется в специальные подушки или резервуары, после чего фильтруется и попадает в газовые баллоны.
Отработанная бактериями жидкость скапливается на дне, откуда ее периодически откачивают и также отправляют на хранение. После этого в резервуар закачивают новую порцию навоза.
Температурный режим функционирования бактерий
Для переработки навоза в биогаз необходимо создать подходящие условия для работы бактерий. некоторые из них активизируются при температуре выше 30 градусов – мезофильные. При этом процесс идет медленнее и первую продукцию можно получить через 2 недели.
Термофильные бактерии работают при температуре от 50 до 70 градусов. Сроки получения биогаза из навоза сокращаются до 3 дней. При этом отходы представляют собой ферментированный шлам, который используют на полях в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур. В шламе отсутствуют патогенные микроорганизмы, гельминты и сорняки, так как они погибают при воздействии высоких температур.
Есть особый вид термофильных бактерий, которые способны выжить в среде, нагретой до 90 градусов. Их добавляют в сырье, чтобы ускорить процесс брожения.
Понижение температуры ведет к снижению активности термофильных или мезофильных бактерий. В частных хозяйствах чаще используют мезофиллы, так как для них не нужно специально подогревать жидкость и производство газа обходится дешевле. Впоследствии, когда будет получена первая партия газа, его можно использовать для подогрева реактора с термофильными микроорганизмами.
Как подготовить сырье для заливки в реактор
Для производства биогаза из навоза не нужно специально подсаживать микроорганизмы в жидкость, потому что они уже находятся в экскрементах животных. Нужно лишь поддерживать температурный режим и вовремя подливать новый раствор навоза. Его необходимо правильно готовить.
Влажность раствора должна быть 90% (консистенция жидкой сметаны), поэтому сухие виды экскрементов для начала заливаются водой – кроличий помет, конский, овечий, козий. Свиной навоз в чистом виде не нуждается в разбавлении, так как содержит много мочи.
Следующий этап – разбить твердые частицы навоза. Чем мельче будет фракция, тем лучше бактерии переработают смесь и тем больше газа получится на выходе. Для этого в установках применяют мешалку, постоянно работающую. Она снижает риск образования твердой корки на поверхности жидкости.
Для производства биогаза подходят те виды навоза, которые имеют самую высокую кислотность. Их еще называют холодными – свиной и коровий. Снижение кислотности приостанавливает деятельность микроорганизмов, поэтому необходимо следить в начале, сколько времени необходимо, чтобы они полностью переработали объем резервуара. Затем долить следующую дозу.
Технология очистки газа
При переработке навоза в биогаз получается:
- 70% метана;
- 30% углекислого газа;
- 1% примесей сероводорода и других летучих соединений.
Высокое содержание углекислоты также требует очистки, но этот процесс более трудоемкий. В домашних условиях самым простым и дешевым способом очистки биогаза от примесей является вода. Процесс происходит в 2 этапа:
- Полученный газ сжимается под давлением 9 – 11 атмосфер.
- Подается в резервуар с водой, где примеси растворяются в жидкости.
В промышленных масштабах для очистки применяют известь или активированный уголь, а также специальные фильтры.
Как уменьшить содержание влаги
Самостоятельно избавиться от примесей воды в газе можно несколькими способами. Один из них – принцип самогонного аппарата. По холодной трубе газ направляется вверх. Жидкость при этом конденсируется и стекает вниз. Для этого трубу проводят под землей, где температура естественным образом снижается. По мере подъема, температура также поднимается, и осушенный газ попадает в хранилище.
Второй вариант – гидрозатвор. После выхода газ поступает в емкость с водой и там очищается от примесей. Такой метод называется одноэтапным, когда с помощью воды биогаз чистят сразу от всех летучих веществ и влаги.
Принцип гидрозатвора
