Биогазовая установка

Факторы, влияющие на производство биогаза

Объем продуцируемого дружной командой микробов биогаза при различных условиях может меняться и зависит от ряда факторов.

Вид сырья

Больше всего биогаза можно получить из отходов пищевой промышленности, содержащих сахарный жом и большое количество жиров. Наименее выгодным видом сырья является навоз крупного рогатого скота.

Навоз – сырье для биогаза

Температура

С ростом температуры производительность бактерий увеличивается. По температурному режиму газогенераторы делятся на три типа.

Психрофильные

Это установки без подогрева, в которых температура поддерживается в пределах от 18 до 25 градусов. В настоящий момент почти не применяются.

Мезофильные

Благодаря подогреву температурный режим выдерживается в пределах от 25 до 40 градусов.

Достоинства:

• низкие энергозатраты;
• аминокислотный состав удобрений является максимально полезным.

Недостатки:

• относительно низкая производительность по биогазу;
• отсутствие обеззараживающего эффекта (в сырье содержатся болезнетворные бактерии, от которых следовало бы избавиться).

Термофильный

Применяется интенсивный подогрев, температура превышает 40 градусов.

Достоинства:

• высокая производительность;
• гибнут болезнетворные бактерии.

Недостатки:

• высокие энергозатраты;
• низкое качество удобрений.

Термофильный биореактор на навозе

Для каждого вида сырья существует оптимальный температурный режим. Почему нельзя просто разогреть реактор до максимально возможной температуры? По двум причинам:

• из-за роста энергозатрат понизится рентабельность установки;
• с ростом температуры увеличивается и количество свободного аммиака.

Последняя зависимость приводит к торможению газогенерации (этот газ является токсичным для бактерий).

Обмен веществ и свобода перемещения

Сырье должно быть достаточно разжиженным, чтобы микробы и пузырьки газа могли в нем двигаться. Для этого в установку доливают горячую воду, доводя влажность загрузки до 85% зимой и до 92% летом.

Чтобы в реакторе лучше происходили обменные процессы, его содержимое нужно время от времени (примерно каждые 4 – 6 часов) перемешивать.

Время брожения

Если сырье выгружать раньше положенного срока, бактерии не будут успевать компенсировать потери в численности и производительность их колоний упадет.

При чрезмерно длительной выдержке производительность также снижается из-за недостатка питательных веществ.

В среднем оптимальное время брожения составляет:

• для психрофильного режима: 30 – 40 суток или более;
• для мезофильного: 10 – 20 суток;
• для термофильного: 5 – 10 суток.

Оптимальное значение опять же зависит от сырья. Углерода должно быть раз в 10 – 20 больше, чем азота.

Дополнительные требования к сырью

Серьёзная проблема, с которой сталкиваются хозяйства, установившие у себя современное оборудование для получения биогаза — сырьё не должно содержать твёрдых включений, случайно попавший в массу камень, гайка, кусок проволоки или доска закупорит трубопровод, выведет из строя дорогостоящий фекальный насос или мешалку.

Нужно сказать, что приведенные данные по максимальному выходу газа из сырья соответствуют идеальным лабораторным условиям. Чтобы приблизиться в реальном производстве к этим цифрам, необходимо соблюсти ряд условий: поддерживать необходимую температуру, периодически перемешивать мелко измельчённое сырье, вносить добавки, активизирующие ферментацию и т.д. На кустарной установке, собранной по рекомендациям статей о «получении биогаза своими руками», едва лишь можно достичь 20% от максимального уровня, высокотехнологические установки позволяют добиваться значений в 60-95%.

Достаточно объективные данные по максимальному выходу биогаза для различных типов сырья

Технология получения биогаза

Принцип работы биогазовой установки базируется на брожении биосубстрата. Он разлагается под воздействием гидролизных, метано- и кислотообразующих микроорганизмов. Вырабатывается горючий газ, содержащий высокий объем метана.

Газ фактически не уступает природному, использующемуся в быту и промышленности. Есть готовые установки. Но, их стоимость достаточно высока, срок окупаемости достигает 10 лет.

Для работы биогазовой установки можно применять доступное сырье – утилизируемые отходы. Они перерабатываются следующим образом:

• Сырье бродит под воздействием микроорганизмов.
• Выделяются горючие газы – метан, углекислота и прочие. Основной объем представлен метаном
• Газы проходят очистку и попадают газгольдер, в котором находятся до непосредственного применения.

Газ может применяться аналогично природному. Его можно использовать в качестве топлива для котлов, печей, газовых плит и т. д. Отработанное сырье нужно своевременно извлекать из установки. Отходы можно применять в качестве удобрения.

Эффективность биотоплива

Биогаз из помета и навоза не имеет цвета и запаха. Он дает столько же тепла, сколько природный газ. Один кубометр биогаза дает энергии столько же, сколько дает 1,5 кг угля.

Чаще всего фермерские хозяйства не утилизируют отходы от домашнего скота, а складируют их на одном участке. В результате метан выделяется в атмосферу, навоз теряет свои свойства как удобрение. Своевременно переработанные отходы принесут гораздо больше пользы фермерскому хозяйству.

Рассчитать эффективность утилизации навоза таким способом легко. Средняя корова дает в сутки 30-40 кг навоза. Из этой массы получается 1,5 кубометра газа. Из такого количества вырабатывается электроэнергии 3 кВт/ч.

Правильный отвод газа из биореактора

Получаемый в процессе брожения органики газ отводят через специальное отверстие, предусмотренное в конструкции верхней части крышки, которой плотно закрывают резервуар. Чтобы исключить вероятность смешивания биогаза с воздухом, надо обеспечить его отвод через водяной затвор (гидрозатвор).

Контролировать давление газовой смеси внутри биореактора можно с помощью крышки, которая должна при избытке газа приподниматься, то есть играть роль спускового клапана. В качестве противовеса можно использовать обычную гирю. Если давление в норме, то выработанный газ будет поступать по отводящей трубе в газгольдер, по пути подвергаясь очистке в воде.

Получаемый газ отводят через специальное отверстие, расположенное в конструкции крышки

Сырье для производства биогаза

Биомасса – к примеру, сельскохозяйственные отходы – фактически бесплатное сырье для производства биогаза.

Естественно, стекло и пластик в этом случае бесполезны.

Отличным материалом является навоз, птичий помет, стебли растений, в том числе такой энергетической культуры, как силосной кукурузы, пищевые отходы, испорченное зерно, отходы бойни, рыбного цеха и пилорамы.

При этом самая насыщенная метаном смесь получается из переработки жира.

Допускается смешивание различных видов отходов – как животного, так и растительного происхождения.

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.

Какое предусмотрено наказание за самовольное подключение газа

Чтобы законно пользоваться «голубым топливом», вы должны иметь разрешение на это от компании, которая снабжает газом вашу территорию. Если вы подключили свою дачу к газопроводу или газопроводящей магистрали без заключения договора с нужной организацией, то рано или поздно у вас возникнут проблемы с законом.

Случаи проведения газа к даче без заключённого заранее договора время от времени происходят. Но гораздо чаще бывают нарушения другого плана. Противозаконно подключаются к газопроводу люди, которым компания прекратила поставлять газ (чаще всего из-за финансовой задолженности). Для этого используют самодельные сгоны или же просто убирают пломбы и вытаскивают заглушки.

Ещё один вид нарушений следующий. Кто-то думает, что может сначала подсоединиться к газопроводу, а потом уже подписать договор с организацией насчёт проведения газа. И всё будет в рамках закона. Это большая ошибка, так как самовольное подключение к газовой сети и использование газа без соответствующего учёта по закону наказываются штрафом.

Организация, поставляющая газ населению, устанавливает на него определённые тарифы и нормы потребления. Если вы незаконно подключились к газопроводу, о чём вскоре станет известно, то за использованный газ вы отдадите в несколько раз больше, чем оплачивая его по общему тарифу.

Людям, которые без заключения договора с газоснабжающей организацией провели к себе на дачу газ, грозит не только административная, но и уголовная ответственность.

Если суд посчитает, что административная ответственность в данном конкретном случае – слишком мягкое наказание для виновника, то может быть применена статья 158, часть 3 Уголовного Кодекса РФ. А это штраф в размере от 100 до 500 тыс. рублей, принудительные работы с ограничением свободы или даже тюремное заключение. Согласитесь, человек, решивший немного «сэкономить» на отоплении дачи, вряд ли рассчитывает на подобное развитие событий.

Но обычное хищение газа у компании – это мелочи по сравнению с тем, что может произойти в случае аварии. Во-первых, собственноручно сделанные отводы для газа вряд ли отвечают требованиям техники безопасности, и надёжность их явно будет ниже производственных норм. Во-вторых, незаконные отводки газа на дачу не обозначены на картах газовых служб

А если в этом месте решат провести какие-либо работы? При неосторожном контакте с самодельным газовым оборудованием может произойти взрыв, в результате которого окажутся человеческие жертвы. Существует и другой вариант развития событий

Если человек, решивший незаконно провести газ к себе на дачу, не слишком хорошо разбирается в тонкостях газового оборудования, то пострадать может и он сам.

Также в Уголовном Кодексе РФ существует статья под номером 109. Если в результате чьих-либо неумышленных действий погибли люди, виновному грозит до пяти лет лишения свободы.

Стоит обратить внимание на ещё один важный момент. Человека, «пойманного» на незаконном подключении к газопроводу, ждёт не только административное или уголовное наказание, его в любом случае обяжут заплатить за использование газа

Возможный расход топлива подсчитают по формуле, сулящей максимальные финансовые издержки нарушителю. А именно: мощность незаконного оборудования умножается на время, прошедшее с последней проверки. Причём считается, что нелегальный отвод качал газ на дачу 24 часа в сутки.

Бывают случаи, когда дата последней проверки неизвестна. Тогда считается, что нелегальному подключению срок минимум шесть месяцев. Именно за эти полгода нелегальному пользователю и предстоит заплатить. Сколько это будет примерно стоить? Если на даче стоит только газовая плита, то сумма составит около 35 тыс. рублей. За колонку придётся отдать где-то 45 тыс. рублей. А если дача оборудована газовым котлом, то цена вопроса поднимется до 50 тыс. рублей.

Разумеется, после всех этих мер поставка газа на дачу прекратится. Незаконное оборудование отключат от газопровода до того момента, пока всё не будет сделано по закону.

Но вернёмся к административным штрафам. Если кому-то «повезло», и он должен просто заплатить за административное правонарушение, сумма штрафа будет довольно низкой – до 2000 рублей.

Это касается тех, кто самостоятельно подключил свою дачу к газопроводу, и тех, кто сделал это повторно (например, после отключения за неуплату). Штраф в обоих случаях одинаковый.

Но это только для частников. С должностных лиц спрос будет больше – от 300 до 4000 рублей. Штраф для юридических лиц на порядок выше – до 40 тыс. рублей.

Инструкция по самостоятельному строительству

Если нет опыта в сборке сложных систем, имеет смысл подобрать в сети или разработать самый простой чертеж биогазовой установки для частного дома.

Чем проще конструкция, тем она надежнее и долговечнее. Позже, когда появятся навыки строительства и обращения с системой, можно будет переделать оборудование или смонтировать дополнительную установку.

В дорогих конструкциях промышленного производства предусмотрены системы перемешивания биомассы, автоматического подогрева, очистки газа и т.д. Бытовое оборудование не так сложно. Лучше собрать простую установку, а потом добавить элементы, в которых возникнет необходимость (+)

При расчете объема ферментатора стоит ориентироваться на 5 м.куб. Такая установка позволяет получить количество газа, необходимое для обогрева частного дома площадью 50 м.кв., если в качестве источника тепла используют газовый котел или печь. Это усредненный показатель, т.к. калорийность биогаза обычно не выше 6000 ккал/м.куб.

Чтобы процесс ферментации протекал более-менее стабильно, нужно добиться правильного температурного режима. Для этого биореактор устанавливают в земляной яме или заранее продумывают надежную теплоизоляцию. Постоянный подогрев субстрата можно обеспечить, если под основание ферментатора подвести трубу водяного отопления

Строительство биогазовой установки можно разделить на несколько этапов.

Этап 1: подготовка ямы под биореактор

Практически вся биогазовая установка находится под землей, поэтому многое зависит от того, как была вырыта и отделана яма. Есть несколько вариантов укрепления стенок и герметизации ямы – пластик, бетон, полимерные кольца.

От подготовки стен и днища биореактора зависит интенсивность брожения субстрата и выход газа, поэтому яму тщательно укрепляют, утепляют и герметизируют. Это самый сложный и трудоемкий этап работ

Оптимальное решение – покупка готовых полимерных колец с глухим дном. Они обойдутся дороже подручных материалов, зато не потребуется дополнительная герметизация. Полимеры чувствительны к механическим нагрузкам, зато не боятся влаги и химически агрессивных веществ. Они не подлежат ремонту, но при необходимости их легко будет заменить.

Этап 2: обустройство газового дренажа

Покупка и монтаж специальных мешалок для биогазовых установок – дорогое удовольствие. Систему можно удешевить, обустроив газовый дренаж. Он представляет собой вертикально установленные полимерные канализационные трубы, в которых проделано множество отверстий.

Для газового дренажа можно выбрать металлические или полимерные трубы. Первые прочнее, а вторые устойчивее к химическим воздействиям. Лучше отдать предпочтение полимерам, т.к. металл быстро проржавеет и сгниет

При расчете длины труб дренажа следует ориентироваться на запланированную глубину заполнения биореактора. Верхние части труб должны быть выше этого уровня.

Этап 3: обустройство изоляционного слоя

В готовый биореактор можно сразу загрузить субстрат. Его накрывают пленкой, чтобы выделяющийся в процессе ферментации газ находился под небольшим давлением. Когда будет готов купол, это обеспечит нормальную подачу биометана по отводящей трубе.

Этап 4: монтаж купола и труб

Завершающий этап сборки простейшей биогазовой установки – это монтаж купольной верхней части. В самой высокой точке купола устанавливают газоотводящую трубу и протягивают ее к газгольдеру.

Свободное пространство биореактора в какой-то мере выполняет функции хранилища газа, однако этого недостаточно для безопасной работы установки. Газ должен потребляться постоянно, иначе возможен взрыв от избыточного давления под куполом

Емкость биореактора закрывают плотной крышкой. Чтобы предотвратить смешивание биометана с воздухом, обустраивают гидрозатвор. Также он служит для очистки газа. Нужно предусмотреть спусковой клапан, который сработает, если давление в ферментаторе будет слишком высоким.

Как подогревать биореактор?

В субстрате постоянно присутствуют бактерии, генерирующие газ. Но, чтобы они интенсивно размножались температура среды должна быть не ниже 38°С.

Следовательно, биореактор нужно подогревать, особенно зимой. Можно установить змеевик, подключенный к бытовой отопительной системе.

Другой способ – установка электрических нагревательных элементов. Но, более экономически целесообразным решением является именно подключение к отопительной системе.

Рекомендуется делать наружный подогрев. Самый идеальный вариант – подогрев паром. Это исключит перегрев субстрата.

Биогазовую установку можно и не делать подземной. Существуют альтернативные методы. К примеру, ее можно выполнить в бочке, которая будет находиться в отдельном помещении.

Можно использовать и, например, цистерну. Такой вариант упростит подогрев, но требует наличия достаточно пространства.

Особенности изготовления емкостей

Биогазовые установки можно сделать небольшого объема для переработки органических отходов в незначительном количестве. Отличным вариантом будет использование не резервуара из железобетона, а стальной емкости, в качестве которой может выступать бочка.

Если вы решили использовать именно такой вариант, то при выборе металлического изделия необходимо учесть следующие моменты.

Прежде всего, внимание следует обратить на сварные швы. Они должны быть прочными и обеспечивать герметичность изделий

Если вы выбрали для создания биореактора бочку небольшой емкости, то не стоит рассчитывать на то, что в процессе ее работы количество полученного газа будет большим. Выход энергии будет во многом зависеть от массы одновременно перерабатываемых в реакторе органических отходов. Таким образом, для того чтобы получить 100 куб. м. биогаза, необходимо подвергнуть переработке навоз в количестве 1т.

Хранение и способы транспортировки добытого топлива

Распространенный и относительно недорогой способ транспортировки добытого природного газа — перемещение по трубам. Предварительно его обязательно очищают от различных примесей, которые отрицательно влияют на оборудование. Также газ освобождают от влаги, которая в процессе транспортировки переходит в состояние кристаллогидратов и становится причиной закупорки труб.

Современные трубопроводы выдерживают давление в 75 атмосфер и более. Крупные магистрали транспортируют газ даже в отдаленные регионы страны.

Преимущества данного способа:

• высокая скорость перемещения газа;
• бесперебойная работа;
• минимальные потери газа в процессе транспортировки;
• автоматический режим перемещения ресурса.

Трубопроводы современной конструкции способны перекачивать около 45 миллиардов м3 газа в год.

Также газ перевозят с помощью автоцистерн. Для этого он должен быть в сжиженном состоянии

Этот способ транспортировки требует особой внимательности и осторожности, и оправдан только в том случае, если газ нужно переместить на небольшое расстояние

Еще один способ перемещения газа — перевозка танкерами (специальными суднами). Вещество в них также транспортируют в сжиженном виде. Его температура должна находиться в пределах 160 градусов. Это безопасный и относительно недорогой, но медленный способ транспортировки.

Природный газ может храниться как в сжиженном состоянии, так и в форме гидратов. Практикуется подземное хранение газа в емкостях и газгольдерах низкого, среднего и высокого давления.

Сбор и отвод биогаза

Отведение биогаза из реактора происходит через трубу, один конец которой находится под крышей, второй обычно опущен в гидрозатвор. Это емкость с водой, в которую выводится полученный биогаз. В гидрозатворе есть вторая труба — она находится выше уровня жидкости. В нее выходит уже более чистый биогаз. На выходе их биореактора устанавливается отсечной газовый кран. Лучший вариант — шаровый.

Какие материалы можно использовать для системы передачи газа? Гальванизированные металлические трубы и газовые трубы из ПНД или ППР. Они должны обеспечивать герметичность, швы и стыки проверяются при помощи мыльной пены. Весь трубопровод собирается из труб и арматуры одного диаметра. Без сужений и расширений.

Очищение от примесей

Примерный состав получаемого биогаза такой:

Примерный состав биогаза

• метан — до 60%;
• углекислый газ — 35%;
• другие газообразные вещества (в том числе и сероводород, придающий газу неприятный запах) — 5%.

Для того чтобы биогаз не имел запаха и хорошо горел, необходимо удалить из него углекислый газ, сероводород, пары воды. Удаление углекислого газа происходит в гидрозатворе, если на дно установки добавить гашеную известь. Такую закладку придется периодически менять (как станет газ гореть хуже — пора менять).

Осушение газа можно сделать двумя способами — сделав в газопроводе гидрозатворы — вставив в трубу изогнутые участки под гидрозатворы, в которых будет скапливаться конденсат. Недостаток такого способа — необходимость регулярного опорожнения гидрозатвора — при большом количестве собранной воды она может заблокировать проход газа.

Второй способ — поставить фильтр с силикагелем. Принцип тот же, что и в гидрозатворе — газ подается в силикагель, отводится осушенный из-под крышки. При таком способе осушения биогаза, силикагель приходится периодически осушать. Для этого его требуется прогреть некоторое время в микроволновке. Он нагревается, влага испаряется. Можно засыпать и снова использовать.

Фильтр для очистки биогаза от сероводорода

Для удаления сероводорода используется фильтр с загрузкой из металлической стружки. Можно в емкость загрузить старые металлические мочалки. Очищение происходит точно также: газ подается в нижнюю часть заполненной металлом емкости. Проходя, он очищается от сероводорода, собирается в верхней свободной части фильтра, откуда выводится по через другую трубу/шланг.

Газгольдер и компрессор

Прошедший очистку биогаз поступает в емкость для хранения — газгольдер. Это может быть герметичный полиэтиленовый мешок, пластиковая емкость. Основное условие — газонепроницаемость, форма и материал не имеют значения. В газгольдере хранится запас биогаза. Из него, при помощи компрессора, газ под определенным давлением (задается компрессором) поступает уже к потребителю — на газовую плиту или котел. Этот газ также может использоваться для выработки электроэнергии при помощи генератора.

Один из вариантов газгольдеров

Для создания стабильного давления в системе после компрессора желательно установить ресивер — небольшое устройство для нивелирования скачков давления.

Принцип работы

Процесс преобразования органического сырья в биогаз называется ферментацией. Сырьё загружается в специальную ёмкость, обеспечивающую надёжную защиту биомассы от доступа кислорода. Событие, происходящее без вмешательства кислорода, называется анаэробным.

Под воздействием специальных бактерий в анаэробной среде начинает происходить ферментация. По мере развития брожения сырьё покрывается коркой, которую необходимо регулярно разрушать. Разрушение производится с помощью тщательного перемешивания.

Перемешивать содержимое требуется минимум два раза в сутки, не нарушая при этом герметичности процесса. Кроме удаления корки промешивания позволяет равномерно распределить кислотность и температуру внутри органической массы. В результате этих манипуляций вырабатывается биогаз.

Полученный газ собирается в газгольдере, оттуда по трубам доставляется потребителю. Биоудобрения, полученные после переработки исходного сырья, можно использовать как пищевую добавку для животных или добавлять в почву. Такое удобрение называется компостным перегноем.

Биогазовая установка включает в себя следующие элементы:

• ёмкость гомогенизации;
• реактор;
• мешалки;
• резервуар для хранения (gas-holder);
• комплекс отопления и смешивания воды;
• газовый комплекс;
• комплекс насосов;
• сепаратор;
• датчики контроля;
• КИПиА с визуализацией;
• система безопасности;

Пример биогазовой установки промышленного типа приведен на схеме 2.