Биогаз и биогазовые установки
Газ широко применяется как для промышленности, в том числе и химической (например, сырье для получения пластмасс) так и в быту. В бытовых условиях газ используют для отопления жилых частных и многоквартирных домов, приготовления пищи, нагревания воды, как топливо для машин и т.д.
В экологическом отношении газ один из самых чистых видов топлива. Если сравнить с другими видами топлива наименьшее количество выбросов вредных веществ.
Но если мы говорим о газе то автоматически подразумеваем природный газ добываемый из земных недр.
Как то однажды я на ткнулся в газете на статью в которой рассказывалось как один дед собрал не хитрую установку и получает газ из навоза. Меня эта тема очень заинтересовала. И я хотел бы рассказать об этой альтернативе природному газу – это биогаз. Я считаю, что эта тема довольно интересна и полезна простым людям и особенно фермерам.
На подворье любого крестьянского хозяйства можно использовать не только энергию ветра, солнца, но и биогаза.
Биогаз — газообразное топливо, продукт анаэробного микробиологического разложения органических веществ. Технология получения газа экологически чистый, безотходный способ переработки, утилизации и обеззараживания разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения.
Сырьем для получения биогаза является обыкновенный навоз, листья, трава, в общем, любой органический мусор: ботва, пищевые отходы, опавшие листья.
Получаемый газ — метан это результат жизнедеятельности метановых бактерий. Из метана — его еще называют болотным или рудничным газом на 90-98 % состоит природный газ, который используется в быту.
Установка для получения газа очень проста в изготовлении. Нам нужна основная емкость, ее можно сварить самому либо использовать какую — то уже готовую это может быть все что угодно. По бокам емкости нужно установить теплоизоляцию, для использования установки в холодное время года. Сверху делаем пару люков. От одного из них присоединяем трубки для отвода газа. Для интенсивного процесса брожения и выделения газа, смесь нужно периодически перемешивать. Поэтому нужно установить приспособление для перемешивания. Далее газ нужно собрать и складировать либо использовать по назначению. Для сбора газа можно использовать обычную автомобильную камеру, а далее если имеется компрессор сжимать и закачивать в баллоны.
Принцип работы довольно прост: через один люк загружается навоз. Внутри происходит разложение этой биомассы специальными метановыми бактериями. Чтобы процесс проходил интенсивнее, содержимое нужно перемешивать и желательно подогревать. Для обогрева можно установить внутри трубки по которым должна циркулировать горячая вода. Метан выделившийся в результатом жизнедеятельности бактерий по трубкам попадает в автомобильные камеры, а когда его накапливается достаточное количество, при помощи компрессора сжимаем и закачиваем в баллоны.
В теплую погоду или при использовании искусственного подогрева установка может давать достаточно большое количество газа, около 8 м 3 /сут.
Так же газ возможно получать из бытовых отходов со свалок, но проблемой являются химикаты используемые в быту.
Метановые бактерии находятся в кишечники животных и, следовательно, в навозе. Но для того чтобы они начали работать нужно ограничить их взаимодействие с кислородом, так как он угнетает их жизнедеятельность. Именно поэтому нужно создавать специальные установки, чтобы бактерии не контактировали с воздухом.
В получаемом биогазе концентрация метана немногониже чем вприродном, следовательно при е го сжигании он будет давать немного меньше тепла. При сжигании 1 м 3 природного газа выделяется 7-7,5 Гкал, то при биогаза — 6-6.5 Гкал.
Этот газ подходит как для отопления (у нас еще есть общие сведения об отоплении на сайте) так и для использования в бытовых плитах. Себестоимость биогаза низкая, а в некоторых случаях вообще практически равна нулю, если все сделано из подручных материалов и вы держите, например корову.
Отходы от производства газа- это биогумус — органическое удобрении в котором в процессе гниения без доступа кислорода перегнивает все от семян сорняков, а остаются только полезные микроэлементы необходимые растениям.
За границей даже есть методы создания искусственных месторождений газа. Выглядит это следующим образом. Поскольку большая доля в выбрасываемом бытовом мусоре это органика, которая может гнить и давать биогаз. Чтобы газ начал выделятся нужно лишить органику взаимодействия своздухом. Поэтому отходы закатывают слоями, а верхний слой делают из газоводонепроницаемого материала, например глины. Потом бурят скважины и добывают газ как из природных месторождений. И одновременно решается несколько проблем, это утилизация отходов и получение энергии.
При каких условиях получается биогаз?
Условия получения и энергетическая ценность биогаза
Для того что бы собрать малогабаритную установку необходимо знать из какого сырья и по какой технологии можно получить биогаз.
Газ получается в процессе разложения (ферментации) органических веществ без доступа воздуха (анаэробный процесс): помет домашних животных, солома, ботва, опавшие листья и др. органические отходы, образующиеся в индивидуальном хозяйстве. Отсюда следует, что биогаз можно получать из любых хозяйственно бытовых отходов которые могут разлагаться и бродить в жидком или влажном состоянии.
Процесс разложения (ферментации) проходит в две фазы:
- Разложение биомассы (гидротация);
- Газификация ( выделение биогаза).
Эти процессы происходят в ферментаторе (анаэробной биогазовой установке).
Ил полученный после разложения в биогазовых установках, повышает плодородие почв и урожайность повышается 10-50%. Таким образом, получается ценнейшее удобрение.
Биогаз состоит из смеси газов:
Метановое брожение — это сложный процесс брожения органических веществ — бактериальный процесс. Главное условие протекания этого процесса, наличие тепла.
В процессе разложения биомассы образуется тепло, которого достаточно для протекания процесса, что бы сохранить это тепло ферментатор необходимо теплоизолировать. При понижении температуры в ферментаторе снижается интенсивность газовыделения, так как микробиологические процессы в органической массе замедляются. Поэтому надежная теплоизоляция биогазовой установки (биоферментатора) одно из наиболее важных условий ее нормальной работы. При загрузке навоза в ферменттатор необходимо смешивать с горячей водой с температурой 35-40 о С. Это поможет обеспечить необходимый режим его работы.
При догрузке потери тепла нужно сводить к минимумуИнженерная помощь по биогазу
Для лучшего обогрева ферментатора можно использовать «тепличный эффекта». Для этого над куполом устанавливают деревянный или легкий металлический каркас и покрывают полиэтиленовой пленкой. Наилучшие результаты достигаются при температуре сырья, которое сбраживается 30-32°С и влажности 90-95 %. В районах средней и северной полосы часть получаемого газа необходимо расходовать в холодные периоды года на дополнительный подогрев сбраживаемой массы, что усложняет конструкцию биогазовых установок.
Установки несложно соорудить в индивидуальных хозяйствах в виде специальных ферментаторов для сбраживания биомассы. Основным органическим сырьем для загрузки в ферментатор является навоз.
При первой загрузке навоза КРС процесс ферментации должен быть не менее 20 сут, свиного не менее 30 сут. Газа получить можно больше при загрузке смеси из различных компонентов по сравнению с загрузкой, например навоза КРС.
Например, смесь навоза КРС и птичьего помета при переработке дает до 70% метана в биогазе.
После того как процесс сбраживания стабилизировался, нужно загружать сырье каждый день не более 10% от количества перерабатываемой в ферментаторе массы.
Рекомендуемая влажность сырья летом 92-95 %, зимой — 88-90 %.
При ферментации помимо производства газа происходит обеззараживание органических веществ. Органические отходы избавляются от патогенной микрофлоры, дезодорация выделяемых неприятных запахов.
Образующийся ил нужно периодически выгружать из ферментатора, его используют как удобрение.
При первом наполнении биогазовой установки отбираемый газ не горит, это происходит, потому что первый полученный газ содержит большое количество углекислого газа, около 60%. Поэтому его необходимо выпустить в атмосферу, и через 1-3 дня работа биогазовой установки стабилизируется.
Таблица №1- количество газа получаемого получаемого за сутки при ферментации экскриментов одного животного
Получаемый оббьем газа, м 3 /сут
По количеству выделяемой энергии 1 м 3 биогаза эквивалентен:
- 1,5 кг каменного угля;
- 0,6 кг керосина;
- 2 кВт/ч электроэнергии;
- 3,5 кг дров;
- 12 кг навозных брикетов.
Конструкция малогабаритных биогазовых установок
Рисунок 1 — Схема простейшей биогазовой установоки с пирамидальным куполом: 1 — яма для навоза; 2 — канавка — гидрозатвор; 3 — колокол для сбора газа; 4, 5 — патрубок для отвода газа; 6 — манометр.
Согласно приведенным на рисунке 1, размерам оборудуют яму 1 и купол 3. Яму облицовывают железобетонными плитами толщиной 10 см, которые штукатурят цементным раствором и для герметичности покрывают смолой. Из кровельного железа сваривают колокол высотой 3 м, в верхней части которого будет скапливаться биогаз. Для зашиты от коррозии колокол периодически красят двумя слоями масляной краски. Еще лучше предварительно покрыть колокол изнутри свинцовым суриком. В верхней части колокола устанавливают патруоок 4 для отвода биогаза и манометр 5 для измерения его давления. Газа отводящий патрубок 6 можно изготовить из резинового шланга, пластмассовой или металлической трубы.
Вокруг ямы — ферментатора устраивают бетонную канавку — гидрозатвор 2. наполненную водой, в которую погружают нижний бортик колокола на 0.5 м.
Рисунок 2 — Устройство для отвода конденсата: 1 — трубопровод для отвода газа; 2 — U-образная труба для конденсата; 3 — конденсат.
Подавать газ, например к кухонной плите можно по металлическим, пластмассовым или резиновым трубкам. Чтобы зимой из-за замерзания конденсирующейся воды трубки не размерзались, применяют несложное устройство показанное на рисунке 2: U — образную трубку 2 присоединяют к трубопроводу 1 в самой нижней точке. Высота ее свободной части должна быть больше давления биогаза (в мм. вод. ст.). Конденсат 3 сливается через свободный конец трубки, при этом не будет утечки газа.
Рисунок 3 — Схема простейшей биогазовой установоки с коническим куполом: 1 — яма для навоза; 2 — купол (колокол); 3 — расширенная часть патрубка; 4 — труба для отвода газа; 5 — канавка — гидрозатвор.
В установке приведенной на рисунке 3 яму 1 диаметром 4 мм глубиной 2 м обкладывают внутри кровельным железом, листы которого плотно сваривают. Внутреннюю поверхность сварного резервуара покрывают смолой для антикоррозионной зашиты. С наружной стороны верхней кромки резервуара из бетона устраивают кольцевую канавку 5 глубиной до 1 м, которую заливают водой. В нее свободно устанавливают вертикальную часть купола 2, закрывающую резервуар. Таким образом, канавка с залитой в нее водой служит гидрозатвором. Биогаз собирается в верхней части купола, откуда через выпускной патрубок 3 и далее по трубопроводу 4 (или шлангу) подается к месту использования.
В круглый резервуар 1 загружается около 12 куб.м органической массы (желательно свежего навоза), которая заливается жидкой фракцией навоза (мочой) без добавления воды. Через неделю после заполнения ферментатор начинает работать. В данной установке емкость ферментатора составляет 12 куб,м, что дает возможность сооружать ее для 2-3 семей, дома которых расположены недалеко. Такую установку можно построить на подворье, если семья выращивает, например бычков или содержит несколько коров.
Рисунок 4 — Схемы вариантов простейших установок: 1 — подача органических отходов; 2 — емкость для органических отходов; 3 — место сбора газа под куполом; 4 — патрубок для отвода газа; 5 — отвод ила; 6 — манометр; 7 — купол из полиэтиленовой пленки; 8 — водяной затвор и водяное отопление; 9 — груз; 10 — цельносклеенный полиэтиленовый мешок.
Конструктивно-технологические схемы простейших малогабаритных установок приведены на рисунке 4. Стрелками обозначены технологические перемещения исходной органической массы, газа, ила. Конструктивно купол может быть жестким или изготовленным из полиэтиленовой пленки. Жесткий купол можно выполнить с длинной цилиндрической частью для глубокого погружения в перерабатываемую массу плавающимрисунок 4, г, или вставленным в гидравлический затвор рисунок 4, д. Купол из пленки можно вставить в гидрозатвор рисунок 4, е, или изготовить в виде цельносклеенного большого мешка рисунок 4, ж. В последнем исполнении на мешок из пленки укладывают груз 9 чтобы мешок не очень раздувался, а также для образования под пленкой достаточного давления.
Газ, который собирается под куполом или пленкой, поступает по газопроводу к месту использования. Чтобы избежать взрыва газа на выпускном патрубке можно установить отрегулированный на определенное давление клапан. Однако, опасность взрыва газа маловероятна, поскольку при значительном повышении давления газа под куполом последний будет приподнятый в гидравлическом затворе на критическую высоту и опрокинется, выпустив при этом газ.
Выработка биогаза может быть снижена из-за того, что на поверхности органического сырья в ферментаторе при ее брожении образуется корка. Для того, чтобы она не препятствовала выходу газа, ее разбивают, перемешивая массу в ферментаторе. Перемешивать можно не вручную, а путем присоединения снизу к куполу металлической вилки. Купол поднимается в гидравлическом затворе на определенную высоту при накоплении газа и опускается по мере его использования.
Благодаря систематическо.му движению купола сверху-вниз, соединенные с куполом вилки будут разрушать корку.
Высокая влажность и наличие сероводорода (до 0,5 %) способствует повышенной коррозии металлических частей биогазовых установок. Поэтому состояние всех металлических элементов ферментатора регулярно контролируют и места повреждении тщательно защищают, лучше всего свинцовым суриком в один или два слоя, а затем красят в два слоя любой масляной краской.
Рисунок 5. Схема биогазовой установки с подогревом: 1 — ферментатор; 2 — деревянный щит; 3 — заливная горловина; 4 — метантанк; 5 — мешалка; 6 — патрубок для отбора биогаза; 7 — теплоизоляционная прослойка; 8 — решетка; 9 — сливной кран для переработанной массы; 10 — канал для подачи воздуха; 11 — воздуходувка.
Биогазовая установка с подогревом сбраживаемой массы теплом, выделяемым при разложении навоза, в аэробном ферментаторе, приведена на рисунке 5. включает метантанк — цилиндрическую металлическую емкость с заливной горловиной 3. сливным краном 9. механической мешалкой 5 и патрубком 6 отбора биогаза.
Ферментатор 1 можно сделать прямоугольным и3 деревянных материалов. Для выгрузки обработанного навоза соковые стенки выполнены съемными. Пол ферментатора — решетчатый, через технологический канал 10 воздух продувают из воздуходувки 11. Сверху ферментатор закрывают деревянными шитами 2. Чтобы уменьшить потери тепла, стенки и днище изготавливают с теплоизоляционной прослойкой 7.
Работает установка так. В метантанк 4 через головину 3 заливают предварительно подготовленный жидкий навоз влажностью 88-92 %, уровень жидкости определяют по нижней части заливной горловины. Аэробный ферментатор 1 через верхнюю открывающуюся часть заполняют подстилочным навозом или смесью навоза с рыхлым сухим органическим наполнителем (солома, опилки) влажностью 65-69 %. При подаче воздуха через технологический канал в ферментаторе начинает разлагаться органическая масса и выделяется тепло. Его достаточно для подогрева содержимого метантанка. В результате происходит выделение биогаза. Он накапливается в верхней части метантанка. Через патрубок 6 его используют для бытовых нужд. В процессе сбраживания навоз в метантенке перемешивается мешалкой 5.
Такая установка окупится уже за год только за счет утилизации отходов в личном хозяйстве. Приблизительные значения по расходу биогаза приведены в таблице 2.
Таблица №2 – приблизительные значения по расходу биогаза
источник
Биогазовая установка для частного дома: рекомендации по обустройству самоделки
Рачительный хозяин мечтает о дешевых энергоресурсах, эффективной утилизации отходов и получении удобрений. Домашняя биогазовая установка своими руками – это недорогой способ воплощения мечты в реальность.
Самостоятельная сборка такого оборудования обойдется в разумные деньги, а вырабатываемый газ станет хорошим подспорьем в хозяйстве: его можно использовать для приготовления пищи, отопления дома и других нужд.
Давайте попробуем разобраться в специфике работы этого оборудования, его преимуществах и недостатках. А также в том, возможно ли самостоятельно построить биогазовую установку и будет ли она эффективна.
Специфика получения биогаза
Биогаз образуется в результате брожения биологического субстрата. Его разлагают гидролизные, кислото- и метанообразующие бактерии. Смесь вырабатываемых бактериями газов получается горючей, т.к. содержит большой процент метана.
По своим свойствам она практически не отличается от природного газа, который используется для промышленных и бытовых нужд.
Биогаз – экологически чистое топливо, а технология его получения не оказывает особого влияния на окружающую среду. Более того, в качестве сырья для биогаза используют отходы жизнедеятельности, которые нуждаются в утилизации.
Их помещают в биореактор, где происходит переработка:
- в течение некоторого времени биомасса подвергается воздействию бактерий. Срок брожения зависит от объема сырья;
- в результате деятельности анаэробных бактерий выделяется горючая смесь газов, в состав которой входят метан (60%), углекислый газ (35%) и некоторые другие газы (5%). Также при брожении в небольших количествах выделяется потенциально опасный сероводород. Он ядовит, поэтому крайне нежелательно, чтобы люди подвергались его воздействию;
- смесь газов из биореактора очищается и поступает в газгольдер, где хранится до момента использования по назначению;
- газ из газгольдера можно использовать точно так же, как природный. Он поступает к бытовым приборам – газовым печам, отопительным котлам и т.п.;
- разложившуюся биомассу необходимо регулярно удалять из ферментатора. Это дополнительные трудозатраты, однако усилия окупаются. После брожения сырье превращается в высококачественное удобрение, которое используют на полях и огородах.
Биогазовая установка выгодна для владельца частного дома только в том случае, если у него есть постоянный доступ к отходам животноводческих ферм. В среднем из 1 м.куб. субстрата можно получить 70-80 м.куб. биогаза, но выработка газа идет неравномерно и зависит от многих факторов, в т.ч. температуры биомассы. Это осложняет расчеты.
Чтобы процесс получения газа был стабильным и непрерывным, лучше всего строить несколько биогазовых установок, а субстрат в ферментаторы закладывать с разницей во времени. Такие установки работают параллельно, а сырье в них загружают последовательно.
Это гарантирует постоянную выработку газа, благодаря чему можно добиться его непрерывного поступления к бытовым приборам.
Самодельное биогазовое оборудование, собранное из подручных материалов, обходится гораздо дешевле установок промышленного производства. Его эффективность ниже, но вполне соответствует вложенным средствам. Если есть доступ к навозу и желание приложить собственные усилия для сборки и обслуживания конструкции, это очень выгодно.
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.
Расчет рентабельности установки
В качестве сырья для производства биогаза обычно используют коровий навоз. Одна взрослая корова может дать его столько, чтобы обеспечить 1.5 м.куб. топлива; свинья – 0.2 м.куб.; курица или кроль (в зависимости от массы тела) – 0.01-0.02 м.куб. Чтобы понять, много это или мало, можно сравнить с более привычными видами ресурсов.
источник