Химия для биогаза. Биогаз — что это такое

Введение

Получение биогаза метатенков и сельскохозяйственных биогазовых установок

Системы хранения биогаза

Состав биогаза

Подготовка биогаза к использованию

Основные направления и мировые лидеры использования биогаза

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В мировой практике газоснабжения накоплен достаточный опыт использования возобновляемых источников энергии, в том числе энергии биомассы. Наиболее перспективным газообразным топливом является биогаз, интерес к использованию которого в последние годы не только не убывает, но и продолжает возрастать. Под биогазами подразумеваются метансодержащие газы, которые образуются при анаэробном разложении органической биомассы. В зависимости от источника получения биогазы подразделяются на три основных вида:

Газ метантенков, получаемый на городских очистных канализационных сооружениях (БГ КОС);

Биогаз, получаемый в биогазовых установках (БГУ) при сбраживании отходов сельскохозяйственных производств (БГ СХП);

Газ свалок, получаемый на полигонах отходов, содержащих органические компоненты (БГ ТБО).

В своей работе я рассмотрела технологии получения этих газов, их состав, методы подготовки биогаза к использованию, а именно методы очистки от балластных веществ. Биогаз обладает широким спектром использования, который я коротко рассмотрела в этой работе.

Получение биогаза метатенков и сельскохозяйственных биогазовых установок

По техническому исполнению биогазовые установки подразделяются на три системы: аккумулятивную, периодическую, непрерывную.

В аккумулятивных системах предусматривается сбраживание в реакторах, которые служат одновременно и местом хранения сброженного навоза (субстрата) до его выгрузки. Исходный субстрат постоянно подается в резервуар до его заполнения. Выгрузка сброженного субстрата производится один-два раза в год в период внесения удобрений в почву. При этом часть сброженного осадка специально оставляется в реакторе и служит затравочным материалом для последующего цикла сбраживания. Объем хранилища, совмещенного с биореактором, рассчитывается на полный объем удаляемого с комплекса навоза в межпосевной период. Такие системы требуют больших объемов хранилищ и применяются очень редко.

Периодическая система производства биогаза предполагает разовую загрузку исходного субстрата в реактор, подачу туда же затравочного материала и выгрузку сброженного продукта. Такая система характеризуется довольно большой трудоемкостью, очень неравномерным выходом газа и требует наличия не менее двух реакторов, резервуара для накопления исходного навоза и хранения сброженного субстрата.

При непрерывной схеме исходный субстрат непрерывно или через определенные промежутки времени (1-10 раз в сутки) загружается в камеру сбраживания, откуда одновременно удаляется такое же количество сброженного осадка. Для интенсификации процесса сбраживания в биореактор могут вноситься различные добавки, увеличивающие не только скорость реакции, но и выход и качество газа. Современные биогазовые установки рассчитываются, как правило, на непрерывный процесс и изготавливаются из стали, бетона, пластмасс, кирпича. Для теплоизоляции применяются стекловолокно, стекловата, ячеистый пластик.

По суточной производительности существующие биогазовые системы и установки можно разделить на 3 типа:

малые - до 50 м 3 /сут;

средние – до 500 м 3 /сут;

крупные – до 30 тыс. м 3 /сут.

Метатенковые и сельскохозяйственные биогазовые установки не имеют принципиальных отличий, за исключением используемого субстрата. Технологическая схема биогазовой сельскохозяйственной установки представлена на рис. 1.

Согласно этой схеме навоз из животноводческого помещения (1) поступает в на копительную емкость (2), далее фекальным насосом (3) его загружают в метантенк - емкость для анаэробного сбраживания (4). Биогаз, образующийся в процессе брожения, поступает в газгольдер (5) и далее к потребителю Для нагрева навоза до температуры брожения и поддержания теплового режима в метантенке применяют теплообменник (6), через который протекает горячая вода, нагреваемая в котле (7) Сброженный навоз выгружают в навозохранилище (8).

Рис.1. Обобщенная схема производства биогаза (сельскохозяйственная биогазовая

Биореактор имеет тепловую изоляцию, которая должна стабильно поддерживать температурный режим сбраживания и поддаваться быстрой замене при выходе из строя. Обогрев биореактора осуществляется посредством размещения по периметру стенок теплообменников в виде спирали из труб, по которым циркулирует горячая вода с начальной температурой 60-70 °С. Такая низкая температура теплоносителя принята во избежание гибели метанообразующих микроорганизмов и налипания частичек субстрата на теплообменную поверхность, что может привести к ухудшению теплообмена.В биореакторе также имеются устройства для постоянного перемешивания навоза. Поступление навоза в метантенк регулируется так, чтобы процесс сбраживания протекал равномерно.

Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных и метанообразующих бактерий превращаются в газообразные продукты - метан и углекислоту.

В метантенках обеспечиваются все необходимые параметры процесса-температура(33-37º С) , концентрация органических веществ, кислотность (6,8-7,4) и др. Рост клеток метанового биоценоза также определяется соотношением C:N, и оптимальное его значение составляет 30:1. Некоторые вещества, содержащиеся в исходном субстрате, могут ингибировать метановое сбраживание (табл. 1). Например, куриный помет часто ингибирует метановое сбраживание избытком NH3.

Таблица 1

Ингибиторы метанового сбраживания

Биогаз, получаемый на полигонах ТБО

Процесс неуправляемого газообразования на полигонах бытовых и других отходов, содержащих большую долю органических компонентов, можно рассматривать как процесс получения метансодержащего газа в аккумулятивной системе, длительность процесса до полного разложения органической части здесь гораздо больше, чем в метатенках.

В отечественной практике системы утилизации биогаза на полигонах ТБО пока не получили широкого распространения, поэтому при дальнейшем рассмотрении конструктивных особенностей систем сбора и транспорта биогаза будет учитываться зарубежный опыт. Принципиальная схема одной из таких систем на полигоне ТБО представлена на рис. 2. Система состоит из двух основных частей: газосборной сети, находящейся под разрежением, и распределительной сети потребителей биогаза, находящейся под избыточным низким или (реже) средним давлением.

Рис. 2. Устройство системы дегазации полигонах ТБО

Ниже приводятся определения важнейших элементов системы сбора газа на полигоне, представленные на рис. 2, и требования к отдельным элементам системы.

Газовые коллекторы - это трубопроводы, проложенные в толще отходов, в которых создается разрежение. Как правило, они выполняются либо вертикально в виде газовых скважин, либо горизонтально в виде перфорированных трубопроводов, однако на практике применяются и другие формы (резервуары, гравийные или щебеночные камеры и др.).

Под сборными газопроводами понимаются газопроводы, находящиеся под разрежением и ведущие к части сборных коллекторов. Для компенсации просадок они имеют гибкое присоединение к газовому коллектору, в узле присоединения располагаются контрольно-измерительные приборы (для измерения давления) и штуцеры для отбора проб газа.

В газосборном пункте объединяются сборные газопроводы. Газосборный пункт может быть выполнен в виде трубы, резервуара и т. п. и размещается в низшей точке с целью обеспечения сбора и отвода выпадающего конденсата. В газосборном пункте размещаются контрольно-измерительные приборы и устройства автоматики.

Система отведения конденсата - это устройство на газопроводе для сбора и отвода конденсата в низшей точке системы трубопроводов. В зоне разрежения конденсат отводится через сифоны, в области избыточного давления - посредством регулируемых конденсатоотводчиков. Конденсат можно также отводить как в зоне разрежения, так и в зоне избыточного давления с помощью охлаждающего устройства.

Всасывающим трубопроводом называют прямой участок трубопровода перед нагнетательным устройством, здесь также предусматриваются контрольно-измерительные приборы и устройства автоматики.

Нагнетательные устройства (вентилятор, воздуходувка и т. п.) служат для создания разрежения, необходимого для транспорта газа из тела захоронения или для создания избыточного давления при транспортировании газа к месту использования (к факельной установке, к системе утилизации и т. п.).

Компрессорная установка служит для повышения избыточного давления газа.

В машинном отделении размещаются нагнетательные устройства. Традиционными конструкциями являются контейнеры, металлические кожухи или небольшие строения (гаражи, блочные конструкции и т. д.). На крупных установках газонагнетательные устройства располагаются в машинном зале, иногда они могут размещаться на открытых площадках под навесом.

Состав биогаза меняется в зависимости от того, как он получается и какое сырье для него использовано. Наибольшей стабильностью отличается биогаз, который вырабатывают с помощью биогазовых установок посредством сбраживания сырья под действием бактерий. В качестве сырья используются органические отходы, а также мусорные и растительные отходы. В метановом разложении сырьевой массы участвуют гидролизные, кислотообразующие и метанобразующие бактерии. В процессе распада органических веществ на жиры, сахара и аминокислоты, взаимодействующие с метаногенными бактериями, образуется биогаз.

Биологический газ, получаемый в , - это смесь газов, среди которых наибольший процент составляют метан, углекислый газ. Кроме этих газов в составе присутствуют водород, сероводород и другие. Биогаз может представлять собой биометан или биоводород. Биометан - это аналог газа природного происхождения. Его основу составляет метан. Процентное содержание каждого газа варьируется.

Примерно составляющие биогаза находятся в следующих пропорциях:

• Метан 40-70 процентов;
• Углекислый газ 30-60 процентов;
• Сероводород 0-3 процентов;
• Водород 0-1 процент;
• Другие газы 1-5 процентов.

Качество биогаза находится в прямой зависимости от качества и состава биомассы. Углеводистые составляющие сырьевого субстрата дают меньше метана, чем протеины и жиры. К примеру, кукуруза содержит много углеводов, из неё можно получить не более 53 процентов метана. Сырье, в котором больше жиров, будет давать высокий процент метана в биогазе, тем самым увеличивать его энергетическую ценность. Но избыток жиров приводит к торможению процесса образования биогаза и даже к полной его остановке, потому состав сырья должен регулярно контролироваться. Шестидесятипроцентное содержание метана делает биогаз ценным топливом. Метан не имеет цвета и запаха, он легче воздуха, не обладает токсичностью. При его сжигании получаются водяной пар и диоксид углерода. В биогазовых установках одноступенчатого типа разложение сырья осуществляется в одном ферментаторе, потому биогаз представляет собой газовую смесь. Установки двуступенчатого типа позволяют на первом этапе удалять малозначимые газы, а на втором получать газ с большим процентным содержанием метана (более семидесяти процентов).

Кроме метана и углекислого газа в состав биологического газа входит сероводород, который имеет агрессивное влияние на оборудование, баллоны, горелки. Агрессивны также хлор, фтор. Потому на предусмотрена технология удаления сероводрода и углеводородов, содержащих галогены. Биологический газ без серы практически не имеет характерного запаха. А отсутствие в нём углеводородов, содержащих хлор и фтор, делает газ менее агрессивным. Для транспортировки биогаза его целесообразно сжать или сжижить. Перед сжижением или сжатием газ полностью очищают от примесей, сероводорода, углекислого газа.

Состав биогаза позволяет использовать его как нетрадиционный источник энергии, а его производство предотвращает повышение содержания метана в атмосфере, что важно с точки зрения экологии.

Биогаз

Метантанк биогазовой установки

Биогаз - газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы . Метановое разложение биомассы происходит под воздействием трёх 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. Одной из разновидностей биогаза является биоводород, где конечным продуктом жизнедеятельности бактерий является не метан, а водород.

История

Человечество научилось использовать биогаз давно. В 1 тысячелетии до н. э. на территории современной Германии уже существовали примитивные биогазовые установки. Алеманам , населявшим заболоченные земли бассейна Эльбы, чудились Драконы в корягах на болоте. Они полагали, что горючий газ, скапливающийся в ямах на болотах - это дыхание Дракона. Чтобы задобрить Дракона, в болото бросали жертвоприношения и остатки пищи. Люди верили, что Дракон приходит ночью и его дыхание остаётся в ямах. Алеманы додумались шить из кожи тенты, накрывать ими болото, отводить газ по кожаным же трубам к своему жилищу и сжигать его для приготовления пищи. Оно и понятно, ведь сухие дрова найти было трудно, а болотный газ (биогаз) отлично решал эту проблему.

Состав и качество биогаза

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

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

Хорошая биогазовая установка должна иметь необходимые части:

• Емкость гомогенизации
• Загрузчик твердого (жидкого)сырья
• Реактор
• Мешалки
• Система смешивания воды и отопления
• Газовая система
• Насосная станция
• Сепаратор
• Приборы контроля
• КИПиА с визуализацией
• Система безопасности

Принцип работы установки

Биомасса (отходы или зеленая масса) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный миксерами. Стройматериалом для промышленного резервуара чаще всего служит железобетон или сталь с покрытием. В малых установках иногда используются композиционные материалы. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35-38 °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, герметичен и неопасен.

Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки .

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании - биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия - 8000 тыс. шт. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.

Биогаз в России

Потенциальное производство в России биогаза – до 72 млрд м³ в год. Потенциально возможное производство из биогаза электроэнергии в год составляет 151 200 ГВтч, тепла – 169 344 ГВтч.

Развивающиеся страны

Автомобильный транспорт

Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии : Берн , Базель , Женева , Люцерн и Лозанна . По прогнозам Швейцарской Ассоциации Газовой Индустрии к году 10 % автотранспорта Швейцарии будет работать на биогазе.

Муниципалитет Осло в начале 2009 года перевёл на биогаз 80 городских автобусов. Стоимость биогаза составляет € 0,4 - €0,5 за литр в бензиновом эквиваленте. При успешном завершении испытаний на биогаз будут переведены 400 автобусов

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

Метановое "брожение", или биометаногенез, - процесс превращения биомассы в энергию европейцами был открыт только в 1776 г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Биогаз, получающийся в ходе этого процесса, представляет собой смесь из метана 65%, углекислого газа 30%, 1% сероводорода и незначительных количеств азота, кислорода, водорода и закиси углерода. (А. Сассон)
Первые сведения о практическом использовании биогаза, европейцами полученного из сельскохозяйственных отходов, относятся к 1814 году, когда Дейви собрал биогаз при исследовании агрохимических свойств навоза крупного рогатого скота. Для сбора отходов, начиная с 1881 года, стали использоваться закрытые емкости, которые, после небольшой модификации, получили название "септик". Еще в 1895 году уличные фонари в одном из районов города Эксетер (Англия) снабжались газом, который получали в результате брожения сточных вод. Начиная с 1897 года, очистка вод в этом городе проводилась в таких емкостях, из которых биогаз собирали и использовали для обогрева и освещения.
В настоящее время известны биореакторы различных конструкций, где предусмотрены прочность материала, из которого создана установка, устройства для перемешивания массы и теплопереноса, подготовка и подогрев загружаемого суб-страта, забор и аккумулирование биогаза и отвода осадков.
Карагандинский ЭкоМузей с 1 декабря 2000 г. реализует проект "BIOGAS", по внедрению в Карагандинской области биогазовых технологий. Данный проект является первым опытом использования биогазовых технологий в Центральном Казахстане. За время реализации проекта Экологический Музей накопил достаточно много опыта и информации о строительстве, запуске и эксплуатации биогазовых установок, причем данный опыт привязан к местным условиям Центрального Казахстана, где ранее не использовались подобные технологии.
Сотрудники Карагандинского Экологического Музея разработали и претворили в жизнь несколько технологий строительства биогазовых установок, приспособленных для крестьян и фермеров Казахстана.

Зачем нам нужен биогаз?
Биогаз - это продукт обмена веществ метановых бактерий, который образует-ся в результате разложения органической массы.
Биогаз является высококачественным и полноценным носителем энергии и может многосторонне использоваться как топливо в домашнем хозяйстве и в среднем и мелком предпринимательстве для приготовления пищи, производства электро-энергии, отопления жилых и производственных помещений, кипячения, сушки и ох-лаждения. Теплота сгорания в среднем равна 6,0 кВт/ч/куб.м
В какой степени биогаз может заменить традиционное топливо, зависит от объема и эффективности установки. Карагандинский опыт использования БГУ пока-зывает, что установка объемом 8 куб. м. и работающая на свином навозе может пол-ностью заменить газ пропан, используемый для приготовления пищи в семье из пяти человек. БГУ объемом 60 куб.м может использоваться для отопления жилого поме-щения площадью 200 кв.м и производственного помещения размером 400 кв.м.
При эксплуатации биогазовой установки отработанное сырье является также полезным продуктом, способным улучшить экономические и экологические условия крестьянского или фермерского хозяйства. Биошлам - это высококачественное удоб-рение, сырье для производства биогумуса, субстрата для выращивания грибов. А при соответствующих параметрах установки и контроле над соблюдением температур-ного режима работы БГУ - кормовая добавка животным, которым необходим для нормального развития животный белок (свиньи, куры и пр.) и прикорм для рыбы в рыбных хозяйствах.
Подводя итоги, использование биогазовых технологий может принести следующие выгоды:

Экономия времени и труда
- Уменьшается время на приготовление пищи
- Уменьшается время на мытье посуды
- Уменьшается время на уборку на кухне
- Высвобождается время, затрачиваемое на обслуживание печи (очистка печи от золы, уборка золы, поднос топлива, загрузка печи, розжиг, наблюдение за печью и добавление топлива)
- Высвобождается время, затрачиваемое ранее на сбор, транспортировку, сушку и складирование кизяка или поиски, транспортировку и перегрузку угля, и поиски, покупку, рубку, сушку и складирование дров
- Уменьшается время на прополку сорняков (их семена погибают в накопителе)

Экономия денег
- Экономятся деньги, затрачиваемые на печное топливо или электричество
- Продлевается срок службы кухонной посуды
- Экономятся деньги на покупку удобрений и гербицидов

Возможность получения дополнительных денег
- Вы можете продать излишки газа соседям или обменять на что-нибудь
- Вы можете продать компост
- При использовании компоста повышается урожайность ваших с/х культур и Вы можете выручить больше денег от их продажи.

Экологические выгоды
- Уменьшение выброса в атмосферу метана (парниковый газ)
- Уменьшение количества сжигаемого угля, дров или топлива для выработки электроэнергии, и как следствие уменьшение образуемого углеки-слого газа (парниковый газ) и вредных продуктов сгорания
- Уменьшение сброса в окружающую среду загрязненных вод
- Очищение загрязненных вод от органических веществ и микроорганизмов
- Сохранение леса от вырубки
- Уменьшение необходимости в химических удобрениях
- Очищение воздуха в доме и селе от продуктов сгорания угля
- Уменьшение загрязнения воздуха азотистыми соединениями, дезодорирование воздуха

Экономия места
- Высвобождается место, ранее занимаемое углем или кизяком

Удобства
- Очищается воздух в доме и на кухне
- Уменьшается объем неиспользуемого мусора (мусора становится меньше)
- Используются все органические отходы, включая отходы туалета
- В огороде и на поле становится меньше сорняков, их семена гибнут в накопителе
- Уменьшается запах от навоза во дворе (бионакопитель анаэроб-ный, то есть не имеет контакта с воздухом)
- Уменьшается количество мух

Сохранение здоровья
- Уменьшается риск заболеть болезнями, связанными с загрязненным воздухом - респираторными и глазными заболеваниями
- Улучшается эпидемиологическая обстановка из-за гибели в накопителе микроорганизмов и уменьшения мест размножения насекомых
Для того, чтобы разобраться, какие выгоды и прибыли может принести экс-плуатация биогазовой установки в вашем конкретном фермерском или крестьянском хозяйстве, вы должны понять:
1. сколько затрат потребуется для строительства БГУ,
2. как можно эти затраты сократить
3. и за какое время эти затраты окупятся.
Ответы на поставленные вопросы можно получить, составив подробный план строительства установки, ее эксплуатации и реализации полученных продуктов.

КАКИМИ БЫВАЮТ БИОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ
Для большей ясности приведем несколько определений, часто используемых в этой главе терминов:

Биореактор - резервуар, (сосуд, емкость) в котором созданы условия для жизнедеятельности метангенерирующих бактерий. Как синоним термина "реактор" в некоторой литературе используются термины "реактор", "метантенк", "метантанк" "септик" - все они имеют один смысл

Система отопления - система парового (водяного) отопления позволяющая поддерживать рабочую температуру в биореакторе, особенно в зимний период.

Перемешивающее устройство - устройство расположенное внутри биореактора и позволяющее перемешивать перерабатываемую массу для ускорения полной переработки.
Загрузочное и выгрузное отверстия - проемы в биореакторе, через которые загружается сырье и выгружается переработанная биомасса.
Все биогазовые установки делятся по рабочему циклу на два типа: непрерывно работающие и работающие периодически.
Непрерывно работающие биогазовые установки постоянно подгружаются сырьем, и одновременно переработанная биомасса отгружается. Таким образом, работа установки не прерывается.
Биогазовые установки, работающие периодически или циклично, загружаются полностью до рабочего уровня и герметически закрываются, в течение некоторого промежутка времени установка активно выделяет биогаз, после полной переработки биомассы установка разгружается и рабочий цикл повторяется.
Форма реактора и применяемые строительные материалы. В ходе реализации проекта были разработаны биогазовые установки, способные работать в условиях Центрального Казахстана.
Цилиндрические биогазовые установки располагаются горизонтально, если установка непрерывно работающего типа, и вертикально при циклично работающей установке.
Эллипсоидные биогазовые установки имеют форму, близкую к яйцеобразной. С точки зрения процесса биометаногенеза такая форма биореактора наиболее оптимальна - в ней происходят процессы естественного перемешивания, а также отвода шлама и стока осадков. Строятся биогазовые установки подобной формы из бетона или возводятся из кирпича.
Оборудование, используемое для производства биогаза. Для повышения вы-хода биогаза из установки применяется дополнительное оборудование:
1. Фекальные насосы применяются для откачки переработанной биомассы и значительно облегчают обслуживание биогазовой установки.
2. Циркуляционные насосы применяются в системе отопления установки и позволяют поддерживать рабочую температуру с меньшими энергозатратами.
3. Перемешивающие устройства применяются для перемешивания перерабатываемой биомассы внутри реактора, что повышает производитель-ность установки и уменьшает время, необходимое для переработки биомассы.
4. Обратный клапан, устанавливаемый в систему газоотвода, не-обходим для предотвращения попадания воздуха в биореактор.
5. Газовый котел отопления, подключается к системе отопления установок и работает на выделяемом биогазе и потребляет до 5% от всего ко-личества газа.

Производительность БГУ
Как уже было отмечено ранее, продуктами производства БГУ являются биогаз и биошлам.
Производительность биогаза - выход биогаза (м3) с единицы субстрата (м3) за период ферментации.
Производительность биогаза зависит следующих параметров:
- объема реактора установки; чем больше объем установки, тем больше выход газа
- температуры в реакторе, при которой происходит брожение (фермента-ция); метанобразующие бактерии в безкислородных условиях могут выделять газ в температурном интервале от 0С- до 70С. Однако, наиболее интенсивно биогаз выделяется в 2-х температурных интервалах. Необходимо отметить, что при различной температуре "работают" различные виды метаногенерирующих бактерий. Первый интервал (мезофильный, т.к работают мезофильные бактерии) от 25С - 38С - оптимальная температура 37С. Второй интервал (термофильный, т.к. работают термофильные бактерии) от 45С - 60С - оптимальная температура 56С. Каждый из этих интервалов обладает рядом преимуществ и недостатков, подробно с ними можно ознакомиться ниже.

МЕЗОФИЛЬНЫЙ ТИП ФЕРМЕНТАЦИИ

Плюсы
- Производительность газа практически не снижается при отклонении температуры на 1-2oС от оптимума;
-Требуется меньше энергетических затрат на поддержание температуры.

Минусы
- Выделение газа менее интенсивно;
- Требуется больше времени до полного разложения субстрата -25 дней;
- Биошлам полученый при данном режиме не является полностью стерильным.

ТЕРМОФИЛЬНЫЙ ТИП ФЕРМЕНТАЦИИ

Плюсы
- Выделение газа интенсивнее;
- Требуется меньше времени до полного разложения субстрата - 12 дней;
- Биошлам полученый при данном режиме является полностью стерильным и поэтому его можно применять в качестве кормовых добавок животным.

Минусы
- Производительность газа значительно снижается при отклонении температуры на 1-2oС от оптимума;
- Требуется больше энергетических затрат на поддержание температуры.
- от сырья. Сырьем для БГУ может быть навоз домашних животных, растительная масса и другие органические остатки. В зависимости от используемого субстрата, производительность биогаза варьирует. Примерные данные указаны в таблице №1

Таблица №1. Производительность биогаза в зависимости от используемого сырья за период ферментации (Archea 2000г, Германия).

Эксплуатация биогазовых установок
1.Пуск установки осуществляется в несколько этапов.
Первоначально производится загрузка установки сырьем, очень важным аспектом этого действия является влажность загружаемого субстрата - она должна составлять в зимний период 85%, летом до 92%. Установка загружается до гидрозатвора. Для ускорения начала процесса метаногенеза в загруженный субстрат заливается закваска (биошлам или субстрат из работающей установки). За неимением закваски в субстрат вносят свежий навоз КРС.

Периодичность загрузки субстрата определяется опытным путем для каждой биогазовой установки, этот параметр зависит от многих показателей: температуры субстрата, вида животных производящих сырье, влажности субстрата, объема установки и пр. До оптимальной влажности сырье доводят перед загрузкой в установку. Субстрат разбавляют теплой водой (35-40 град.) тщательно размешивают, а потом заливают в загрузное отверстие установки. От влажности сырья зависит объем выходящего биогаза, время переработки сырья и степень его разложения. В летний период оптимальная влажность 92%, зимой оптимальной является 85% влажность.
3. Поддержание оптимальной температуры.
В условиях Центрального Казахстана необходимо подогревать работающий реактор. При строительстве внутри реактора монтируются трубчатые теплообменники, которые, в зависимости от конструкции установки, подводятся либо к паровому отоплению жилого дома (установки малого объема), либо к автономному отопительному котлу, работающему на биогазе. Для снижения теплопотерь, загружаемый субстрат разбавляют горячей (температура не выше 60оС) водой.
4. Перемешивание.
Перемешивание субстрата внутри реактора значительно повышает эффективность работы БГУ, так как препятствует образованию осадка и плавающей корки и обеспечивает перемещение массы в реакторе.
5. Аккумулирование биогаза.
Поскольку биогаз расходуется неравномерно, а установка вырабатывает его постоянно, то возникает вопрос об его аккумулировании. Собирать газ можно в резиновые камеры, используемые в колесах сельскохозяйственных машин.
6. Использование биогаза.
Биогаз используется для приготовления пищи, отопления жилых помещений, отопления производственных помещений (теплиц, птичников и др.).
7. Использование биошлама.
Биошлам используется как удобрение на полях хозяйства, при полной переработке субстрата в реакторе установки, биошлам можно использовать как добавку в корм свиньям и домашней птице. После несложной обработки (фильтрация и сушка) биошлама его можно реализовывать в коммерческих целях. Потенциальные покупатели удобрения из биошлама - садоводческие хозяйства, дачные кооперативы и пр.
8. Техника безопасности.
В состав биогаза входят сероводород (H2S), углекислый газ (CO2) и метан. Метан, входящий в состав биогаза, практически не ядовит. Он легче воздуха, легко воспламеняется и образует с воздухом (5-15% метана) или кислородом взрывчатую смесь. В случае утечки, при наличии вентиляции, газ улетучивается без каких либо последствий. Сероводород, если и представляет опасность для здоровья людей, то встречается в небольших количествах и легко обнаруживается по неприятному запаху. Поскольку сероводород тяжелее воздуха, необходимо обращать внимание на то, чтобы при утечках этот газ не смог накапливаться в углублениях. При высоких концентрациях он притупляет восприятие запаха, что затрудняет его обнаружение и может привести к смертельным отравлениям, но еще раз можно отметить, что доля сероводорода в биогазе очень мала и состовляет не более 1 %. Углекислый газ (CO2) входящий в состав биогаза, тоже может скапливаться в глубоких выемках, так как он тяжелее воздуха, при наличии неплотностей в установке вызывает опасность удушья.

Заключение
Если вас заинтересовала эта информация в нашей брошюре, и вы решились построить в вашем хозяйстве биогазовую установку, то хотелось бы вам дать еще несколько советов и рекомендаций.
Совет №1. Перед строительством установки хорошенько обдумайте вопрос об использовании биошлама. От этого зависит форма реактора и температурный режим. В случае использования биошлама как удобрения, снижается стоимость обслуживания и строительства. В случае использования биошлама как пищевых добавок для скота и птицы возрастает стоимость, но уменьшается время на окупаемость. Скот и птица, получающие такие добавки быстрее набирают вес, снижается падеж, за счет чего можно получить прибыль в домашнем (крестьянском или фермерском) хозяйстве.
Совет №2. Определившись с формой и объемом реактора, можно начинать составлять свою смету на строительство. Подведя черту "итого", не хватайтесь сразу за голову от высоких сумм. Стоимость установки можно значительно снизить, используя в некоторых случаях бросовый или "проверенный временем" строительный материал.
Совет №3. Подготовив список необходимых строительных материалов, можно что-то не найти в вашем городе или районе. Посоветуйтесь с нами, мы вам сможем подсказать, какой строительный материал можно использовать взамен не найденного.