Выход биогаза из различного сырья. Биогазовая установка для частного дома: добываем энергоресурсы своими руками

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.

Необходимые обязательные материалы:

  • две ёмкости;
  • соединительные трубы;
  • клапаны;
  • газовый фильтр;
  • средства обеспечения герметичности (клей, смола, герметик и т.п.);

Желательные:

  • мешалка с электродвигателем;
  • датчик температуры;
  • датчик давления;

Указанная ниже последовательность подходит для южных регионов. Для работоспособности в любых условиях следует добавить систему подогрева реактора, которая будет обеспечивать нагрев сосуда до 40 градусов Цельсия и повысить теплоизоляцию, например, обнести конструкцию теплицей. Теплицу желательно покрыть черной пленкой. Также желательно добавить к трубопроводу устройство вывода конденсата.

Создание простой биогазовой установки:

  1. Создать накопительную ёмкость. Выбираем резервуар, где будет храниться полученный биогаз. Резервуар фиксируется клапаном и оснащается манометром. Если потребление газа постоянно, то необходимости в газгольдере нет.
  2. Утеплить конструкцию внутри котлована.
  3. Установить трубы. Проложить в котлован трубы для загрузки сырья и выгрузки компостного перегноя. В ёмкости реактора делается входное и выходное отверстие. Реактор помещается в котлован. К отверстиям подводятся трубы. Трубы плотно закрепляются с помощью клея или других подходящих средств. Диаметр труб менее 30 см будет способствовать их забиванию. Место загрузки следует выбирать на солнечной стороне.
  4. Установить люк. Ректор, оснащённый люком, делает более удобными работы по ремонту и профилактике. Люк и корпус реактора следует проклеить резиной. Также можно установить датчики температуры, давления и уровня сырья.
  5. Выбрать ёмкость для биореактора. Выбранная ёмкость должна быть прочной – так как при ферментации выделяется большое количество энергии; обладать хорошей теплоизоляцией; быть воздухо и водонепроницаемой. Лучше всего подходят сосуды яйцеобразной формы. Если соорудить такой реактор проблематично, то хорошей альтернативой будет сосуд цилиндрической формы с округлёнными краями. Ёмкости квадратной формы менее эффективны потому, что в углах будет накапливаться затвердевшая биомасса, затрудняющая ферментацию.
  6. Подготовить котлован.
  7. Выбрать место для монтажа будущей установки. Желательно выбирать место достаточно далеко от дома и так, чтобы можно было выкопать яму. Размещение внутри ямы позволяет существенно сэкономить на теплоизоляции, используя для этого дешёвые материалы вроде глины.
  8. Проверить герметичность полученной конструкции.
  9. Запустить систему.
  10. Добавить сырьё. Ждём около двух недель пока пройдут все необходимые процессы.Необходимое условие горения газа – избавление от двуокиси углерода. Для этого подойдёт обычный фильтр из строительного магазина. Самодельный фильтр делается из отрезка газовой трубы длиной в 30 см, наполненного сухими деревянными и металлическими стружками.

Состав и виды

Биогазом называется газ, полученный в результате трёхфазного биохимического процесса над биомассой, проходящего в герметичных условиях.

Процесс разложения биомассы последователен: сперва она подвергается воздействию гидролизных бактерий, затем кислотообразующих и в конце метанобразующих. Материалом для микроорганизмов на каждом этапе служит продукт деятельности предшествующего этапа.

На выходе приблизительный состав биогаза выглядит так:

  • метан (от 50 до 70%);
  • углекислый газ (от 30 до 40%);
  • сероводород (~2%);
  • водород (~1%);
  • аммиак (~1%);

На точность пропорций влияет используемое сырьё и технология получения газа. Потенциалом для горения обладает метан, чем его процент выше, тем лучше.

Опыт применения горючего болотного газа имеют древние культуры, датируемые более трёх тысячелетним возрастом (Индия, Персия или Ассирия). Научное обоснование сформировалось гораздо позже. Химическая формула метана СН 4 была открыта учёным Джоном Дальтоном, вхождение метана в состав болотного газа обнаружено Гемфри Дэви. Большую роль на развитии отрасли альтернативной энергии сыграла Вторая мировая война, требующая от воюющих сторон огромной потребности в энергоресурсах.

Обладание СССР громадными запасами нефти и природного газа привело к невостребованности других технологий получения энергии, исследование биогаза в основном было предметом интереса академической науки. На текущий момент ситуация поменялась настолько, что, помимо промышленной добычи разных видов топлива, создать биогазовую установку для своих целей под силу любому человеку.


 Устройство установки

– комплекс оборудования, предназначенного для получения биогаза из органического сырья.

По типу подачи сырья выделяют следующие виды биогазовых установок:

  • с порционной подачей;
  • с непрерывной подачей;

Биогазовые установки с постоянной подачей сырья являются более эффективными.

По типу обработки сырья:

  1. Без автоматического перемешивания сырья и поддерживания необходимой температуры – комплексы с минимальной комплектацией, подходят для малых хозяйств (схема 1).
  2. С автоматическим перемешиванием , но без поддержки необходимой температуры – также служит небольшим хозяйствам, эффективней предыдущего типа.
  3. С поддержкой необходимой температуры , но без автоматического перемешивания.
  4. С автоматическим перемешиванием сырья и поддержкой температуры.

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.

Используемое сырьё

Разложение любых остатков животного или растительного происхождения выделяет горючий газ в различной степени. Хорошо подходят для сырья смеси различного состава: навоз, солома, трава, разные отходы и т.д. Для химической реакции требуется влажность в 70%, поэтому сырьё необходимо разбавлять водой.

Неприемлемо наличие в органической биомассе очистительных средств, хлора, стиральных порошков, так как они препятствуют химическим реакциям и могут повредить реактор. Также не подходит для реактора сырьё с опилками хвойных деревьев (содержащие смолы), с высокой долей лигнина и с превышением порога влажности в 94%.

Растительное. Растительное сырьё великолепно подходит для производства биогаза. Максимальный выход топлива даёт свежая трава – из тонны сырья получается около 250 м 3 газа с долей метана в 70%. Кукурузный силос немногим меньше – 220 м 3 . Ботва от свеклы – 180 м 3 .

Можно использовать в качестве биомассы практически любые растения, сено или водоросли. Недостаток применения заключается в длительности производственного цикла. Процесс получения биогаза занимает до двух месяцев. Сырьё должно обязательно быть мелко измельчено.

Животное. Отходы перерабатывающих, молочных предприятий, со скотобоен и т.д. пригодны для биогазовой установки. Максимальный выход топлива дают животные жиры – 1500 м 3 биогаза с долей метана в 87%. Основной недостаток – дефицит. Животное сырьё также должно быть измельчено.

Экскременты. Главное достоинство навоза его дешевизна и легкодоступность. Недостаток – количество и качество биогаза ниже, чем от других видов сырья. Лошадиные и коровьи экскременты можно перерабатывать сразу. Производственный цикл займёт приблизительно две недели и даст выход объемом 60 м 3 с 60% содержанием метана.

Куриный помёт и свиной навоз напрямую применять нельзя, потому что они токсичны. Чтобы запустить процесс ферментации их надо смешать с силосом. Продукт жизнедеятельности человека также можно использовать, но канализационные стоки не подойдут, так как содержание фекалий мало.

Схемы работы

Схема 1 – биогазовая установка без автоматического перемешивания сырья:


Схема 2 – биогазовая установка промышленного типа:


Вопросами, как сократить расходы на отопление жилища, приготовление пищи и электроснабжение, озабочены многие владельцы домохозяйств. Некоторые из них уже соорудили своими руками биогазовые установки и частично или полностью обособились от поставщиков энергоресурсов. Оказывается, получить почти дармовое топливо в условиях частного домохозяйства не представляет большой сложности.

Что такое биогаз и как его можно использовать?

Владельцам приусадебных хозяйств известно: сложив в кучу любое растительное сырье, птичий помет и навоз, через время можно получить ценное органическое удобрение. Но немногие из них знают, что биомасса разлагается не сама по себе, а под воздействием различных бактерий.

Перерабатывая биологический субстрат, эти крошечные микроорганизмы выделяют продукты жизнедеятельности, в том числе – газовую смесь. Большую часть ее (около 70%) составляет метан – тот самый газ, что горит в горелках бытовых плит и обогревательных котлов.

Идея использовать такое экотопливо для различных хозяйственных нужд не нова. Устройства по его добыче использовали еще в древнем Китае. Возможностью использовать биогаз занимались и советские новаторы в 60-х годах прошлого столетия. Но настоящее возрождение технология пережила в начале двухтысячных. На данный момент биогазовые установки активно используют в Европе и США для отопления домов и прочих нужд.

Как работает биогазовая установка?

Принцип работы устройства по выработке биогаза достаточно прост:

  • в герметичную емкость загружают разбавленную водой биомассу, где она начинает «бродить» и выделять газы;
  • содержимое резервуара регулярно обновляют – сливают переработанное бактериями сырье и добавляют свежее (в среднем около 5-10% ежедневно);
  • скопившийся в верхней части резервуара газ по специальной трубке поступает на газосборник, а затем – на бытовые приборы.

Схема биогазовой установки.

Какое сырье подходит для биореактора?

Установки для получения биогаза рентабельны только там, где есть ежедневное пополнение свежей органики – навоза или помета домашнего скота и птицы. Также в биореактор можно подмешивать измельченную траву, ботву, листву и бытовые отходы (в частности, очистки от овощей).

Эффективность установки во многом зависит от типа загружаемого сырья. Доказано, что при одинаковой массе самый большой выход биогаза получается из свиного навоза и индюшиного помета. В свою очередь, экскременты коров и силосные отходы дают меньшее количество газа при такой же загрузке.

Использование биосырья для отопления дома.

Что нельзя использовать в биогазовой установке?

Существуют факторы, которые могут существенно снизить активность анаэробных бактерий, а то и вовсе приостановить процесс выработки биогаза. Нельзя допускать, чтобы внутрь резервуара попадало сырье с содержанием:

  • антибиотиков;
  • плесени;
  • синтетических моющих средств, растворителей и прочей «химии»;
  • смол (в том числе опилки хвойных деревьев).

Малоэффективно использовать уже гниющий навоз – загрузке подлежат только свежие или предварительно просушенные отходы. Также нельзя допускать переувлажнения сырья – показатель в 95% уже считается критическим. Впрочем, небольшое количество чистой воды в биомассу добавлять все же нужно – для того, чтобы облегчить ее загрузку и ускорить процесс брожения. Разводят навоз и отходы до консистенции негустой манной каши.

Биогазовая установка для дома

Сегодня промышленность уже выпускает установки для получения биогаза в промышленных масштабах. Их приобретение и монтаж обходится дорого, окупается такое оборудование в частных домохозяйствах не раньше, чем через 7-10 лет при условии, что для переработки будут использоваться большие объемы органики. Опыт показывает, что при желании небольшую биогазовую установку для частного дома мастеровитый хозяин может соорудить своими руками, причем из самых доступных материалов.

Готовим перерабатывающий бункер

В первую очередь понадобится герметично закрывающаяся емкость цилиндрической формы. Можно, конечно, использовать большие кастрюли или выварки, но их малый объем не позволить добиться достаточной выработки газа. Поэтому в этих целях используют чаще всего пластиковые бочки объемом от 1 м³ до 10 м³.

Изготовить такую можно самостоятельно. В продаже имеются листы из ПВХ, при достаточной прочности и стойкости к агрессивным средам они легко свариваются в конструкции нужной конфигурации. В качестве бункера можно использовать и металлическую бочку достаточного объема. Правда, придется провести антикоррозийные мероприятия – покрыть ее изнутри и снаружи устойчивой к воздействию влаги краской. Если резервуар сделан из нержавейки, этого делать не нужно.

Система отвода газа

Патрубок для отвода газа монтируют в верхней части бочки (как правило, в крышке) – именно там он скапливается, согласно законам физики. По подключенной трубе биогаз подается на гидрозатвор, далее – на накопитель (как вариант – с помощью компрессора в баллон) и к бытовым приборам. Рядом с газоотводом рекомендуется также вмонтировать спусковой клапан – если давление внутри резервуара станет слишком высоким, он выпустит лишний газ.

Система подачи и выгрузки сырья

Чтобы обеспечить непрерывное производство газовой смеси, бактерий в субстрате нужно постоянно (ежедневно) «подкармливать», то есть добавлять свежий навоз или другую органику. В свою очередь, уже переработанное сырье из бункера необходимо удалять, чтобы оно не занимало полезное место в биореакторе.

Для этого в бочке проделываются два отверстия – одно (для выгрузки) практически около дна, другое (для загрузки) повыше. В них ввариваются (впаиваются, вклеиваются) трубы диаметром не менее 300 мм. Загрузочный трубопровод направляют вверх и оборудуют воронкой, а слив обустраивают так, чтобы удобно было собирать переработанную жижу (ее впоследствии можно использовать как удобрение). Места стыков герметизируют.

Система подогрева

Теплоизоляция бункера.

Если биореактор будет установлен на улице или в неотапливаемом помещении (что необходимо по технике безопасности), то ему необходимо обеспечить теплоизоляцию и подогрев субстрата. Первое условие достигается путем «укутывания» бочки любым утепляющим материалом или углублением в землю.

Что же касается подогрева, то здесь можно рассматривать самые разные варианты. Одни умельцы заводят внутрь трубы, по которым циркулирует вода из отопительной системы и монтируют их вдоль стенок бочки в виде змеевика. Другие помещают реактор в больший по объему резервуар с водой внутри, подогреваемой электротенами. Первый вариант удобнее и гораздо экономичнее.

Для оптимизации работы реактора необходимо поддерживать температуру его содержимого на определенном уровне (не менее 38⁰C). Но если она поднимется выше 55⁰C, то газообразующие бактерии просто-напросто «сварятся», и процесс ферментации остановится.

Система перемешивания

Как показывает практика, в конструкциях ручная мешалка любой конфигурации значительно повышает эффективность биореактора. Ось, к которой приварены (прикручены) лопасти «миксера», выводится через крышку бочки. На нее в дальнейшем надевается ручка-ворот, отверстие тщательно герметизируется. Впрочем, такими приспособлениями домашние мастера обустраивают ферментаторы не всегда.

Получение биогаза

После того, как установка будет готова, в нее загружают биомассу, разведенную водой в соотношении примерно 2:3. Крупные отходы при этом должны быть измельчены – максимальный размер фракции не должен превышать 10 мм. Далее крышка закрывается – остается ждать, когда смесь начнет «бродить» и выделять биогаз. При оптимальных условиях первое поступление горючего наблюдается спустя несколько дней после загрузки.

О том, что газ «пошел», можно судить по характерному бульканью в водяном затворе. В это же время бочку стоит проверить на герметичность. Делается это с помощью обычного мыльного раствора – его наносят на все стыки и наблюдают, не появились ли пузыри.

Первое обновление биосырья нужно провести примерно через две недели. После того, как в воронку будет залита биомасса, из отводной трубы выльется такой же объем отработанной органики. Далее такую процедуру выполняют ежедневно или раз в два дня.

На сколько хватает полученного биогаза?

В условиях небольшого хозяйства биогазовая установка не станет абсолютной альтернативой природному газу и прочим доступным источникам энергии. Например, с помощью устройства емкостью 1 м³ можно получить топлива только на пару часов приготовления пищи для небольшой семьи.

А вот биореактором в 5 м³ уже можно отопить помещение площадью 50 м², но его работу нужно будет поддерживать ежедневной загрузкой сырья массой не менее 300 кг. Для этого необходимо иметь в хозяйстве примерно десять свиней, пять коров и пару десятков кур.

Мастера, у которых получилось самостоятельно смастерить действующие биогазовые установки, делятся видео с мастер-классами на просторах интернета:

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

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

Как получают биогаз

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

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

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

Какое сырье подходит для производства

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

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

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

Строительство биореактора

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

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

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

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

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

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

Отвод газа и обогащение

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

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

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

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

Использование биогаза: специфика и оборудование

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

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

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

Для владельцев крупных фермерских хозяйств остро стоит вопрос в виде навоза, птичьего помета, останков животных. Для решения проблемы можно использовать специальные установки, предназначенные для получения биогаза. Их легко изготовить в домашних условиях и эксплуатировать на протяжении длительного периода с высоким выходом готового к применению продукта.

Что такое биогаз?

Биогазом называют вещество, получаемое из натурального сырья в виде биомассы (навоза, птичьего помета) вследствие ее брожения. В данный процесс вовлечены различные бактерии, каждая из которых питается продуктами жизнедеятельности предыдущих. Выделяют такие микроорганизмы, принимающие активное участие в процессе производства биогаза:

  • гидролизные;
  • кислотообразующие;
  • метанообразующие.

Технология получения биогаза из готовой биомассы заключается в стимуляции природных процессов. Находящимся в навозе бактериям следует создать оптимальные условия для быстрого размножения и эффективной переработки веществ. Для этого биологическое сырье помещают в закрытый от поступления кислорода резервуар.

После этого в работу вступает группа анаэробных микробов. Они позволяют преобразовать фосфор-, калий- и азотсодержащие соединения в чистые формы. В результате переработки образуется не только биогаз, но и качественные одобрения. Они идеально подходят для сельскохозяйственных нужд и более эффективны, чем традиционный навоз.

Экологическая ценность производства биогаза

Благодаря эффективной переработке биологических отходов получают ценное топливо. Налаживание данного процесса позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу, которые оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Это соединение стимулирует парниковый эффект в 21 раз сильнее, чем углекислый газ. Метан способен сохраняться в атмосфере на протяжении 12 лет.

Для предотвращения глобального потепления, что является проблемой мирового масштаба, необходимо ограничить поступление и распространение этого вещества в окружающую среду. Полученные в процессе переработки отходы являются высококачественным одобрением. Его использование позволяет снизить объем применяемых химических соединений. Синтетически изготовленные удобрения загрязняют грунтовые воды и негативно сказываются на состоянии окружающей среды.

Что влияет на продуктивность производственного процесса?

При правильной организации производственного процесса по выпуску биогаза, из 1 куб. м органического сырья получают около 2-3 куб. м чистого продукта. На его эффективность влияют многие факторы:

  • температура окружающей среды;
  • уровень кислотности органического сырья;
  • влажность окружающей среды;
  • количество фосфора, азота и углерода в исходной биологической массе;
  • размер частиц навоза или помета;
  • наличие веществ, замедляющих процесс переработки;
  • включение в состав биомассы стимулирующих добавок;
  • частота подачи субстрата.

Перечень используемого сырья для производства биогаза

Получение биогаза возможно не только из навоза или птичьего помета. Для производства экологически чистого топлива можно использовать и другое сырье:

  • зерновая барда;
  • отходы от выпуска соков;
  • свекольный жом;
  • отходы рыбного или мясного производства;
  • пивная дробина;
  • отходы молокозаводов;
  • фекальные осадки;
  • бытовые отходы органического происхождения;
  • отходы от производства биодизеля из рапса.

Состав биологического газа

Состав биогаза после прохождения всех следующий:

  • 50-87% метана;
  • 13-50% диоксида углерода;
  • примеси водорода и сероводорода.

После очистки продукта от примесей получают биометан. Он является аналогом , но имеет другую природу происхождения. Для повышения качеств топлива нормализуют содержание в его составе метана, который является основным источником энергии.

При расчете объемов производимых газов учитывают температуру окружающей среды. При ее повышении выход продукта повышается и снижается его калорийность. На характеристики биогаза негативно влияет повышение влажности воздуха.

Сфера применения биогаза

Производство биогаза играет значительную роль не только для сохранения экологии, но и обеспечивает народное хозяйство топливом. Оно характеризуется обширной сферой применения:

  • используется в качестве сырья для производства электроэнергии, автомобильного топлива;
  • для обеспечения энергетических потребностей небольших или средних предприятий;
  • биогазовые установки исполняют роль очистных сооружений, что позволяет решить .

Технология производства биогаза

Для производства биогаза следует предпринять действия, которые позволят ускорить процесс природного расщепления органической массы. Перед помещением в герметическую емкость с ограниченным поступлением кислорода природное сырье тщательно измельчают и смешивают с определенным количеством воды.

В результате получают исходный субстрат. Наличие в его составе воды необходимо для предотвращения негативного воздействия на бактерии, которое может произойти при попадании веществ из окружающей среды. Без жидкой составляющей процесс брожения значительно замедляется и снижает эффективность работы всей биоустановки.

Оборудование промышленного типа для переработки органического сырья дополнительно оснащается:

  • устройством для подогрева субстрата;
  • оборудованием для перемешивания сырья;
  • приборами для контроля над кислотностью среды.

Данные устройства значительно повышают эффективность работы биореакторов. Благодаря перемешиванию удаляется твердая корка с поверхности биомассы, что увеличивает количество выделяемого газа. Длительность переработки органической массы – около 15 суток. За это время она разлагается только на 25%. Максимальное количество природного газа выделяется, когда степень расщепления субстрата достигает 33%.

Технология изготовления биологического газа подразумевает ежедневное обновление субстрата. Для этого 5% массы удаляют из биореактора, а на ее место укладывают новую порцию сырья. Отработанный продукт используется в качестве одобрения.

Технология производства биогаза в домашних условиях

Производство биогаза в домашних условиях происходит по следующей схеме:

  1. Осуществляется измельчение биологической массы. Необходимо получить частицы, размер которых не превышает 10 мм.
  2. Полученная масса тщательно перемешивается с водой. На 1 кг сырья нужно приблизительно 700 мл жидкой составляющей. Используемая вода должна быть питьевой и не содержать примесей.
  3. Полученным субстратом заполняется весь резервуар, после чего герметически закрывается.
  4. Желательно несколько раз в сутки тщательно перемешивать субстрат, что повысит эффективность его переработки.
  5. На 5 день производственного процесса проверяют наличие биогаза и постепенно откачивают его в подготовленные баллоны при помощи компрессора. Периодическое удаление газообразных продуктов является обязательным. Их накопление приводит к увеличению давления внутри резервуара, что негативно сказывается на процессе расщепления биологической массы.
  6. На 15 день производства часть субстрата удаляют, и загружают свежую порцию биологического материала.

Для определения необходимого объема ректора для переработки биомассы следует рассчитать количество навоза, производимого на протяжении суток. В обязательном порядке учитывается вид используемого сырья, температурный режим, который будет поддерживаться в установке. Используемый резервуар должен заполняться на 85-90% от своего объема. Оставшихся 10% необходимо для накопления полученного биологического газа.

В обязательно порядке учитывается длительность цикла переработки. При поддержании температуры в +35°С она составляет 12 суток. Нужно не забывать, что используемое сырье перед отправкой в реактор разбавляется водой. Поэтому ее количество учитывают перед расчетом объема резервуара.

Схема простейшей биоустановки

Для изготовления биогаза в домашних условиях необходимо создать оптимальные условия для микроорганизмов, которые будут расщеплять биологическую массу. В первую очередь желательно организовать подогрев генератора, что повлечет за собой дополнительные расходы.

  • объем емкости для сохранения отходов должен быть не меньше 1 куб. м;
  • необходимо использовать герметически закрываемый резервуар;
  • утепление бака с биомассой – обязательное условие его эффективной работы;
  • резервуар можно углубить в землю. Тепловую изоляцию устанавливают только в верхней его части;
  • в емкость монтируется ручная мешалка. Ее ручка выводится наружу через герметический узел;
  • предусматриваются патрубки для погрузки/выгрузки сырья, забора биогаза.

Технология изготовления подземного реактора

Для производства биогаза можно установить самую простую установку, углубив ее в грунт. Технология изготовления такого резервуара выглядит следующим образом:

  1. Выкапывают котлован нужного размера. Его стенки заливают керамзитобетоном, который дополнительно армируют.
  2. С противоположных стенок бункера оставляют отверстия. В них устанавливают трубы с некоторым наклоном, чтобы производить закачку сырья и извлечение отработанного материала.
  3. Выходной трубопровод диаметром 70 мм устанавливается практически около самого дна. Другой его конец устанавливается в резервуар, в который будет происходить выкачка отработанного шлама. Рекомендуется делать его прямоугольным.
  4. Трубопровод для подачи сырья размещают на высоте 0,5 м относительно дна. Его рекомендуемый диаметр – 30-35 мм. Верх трубы заводят в отдельный резервуар для приема подготовленного сырья.
  5. Верхняя часть биореактора должна иметь купольную или конусную форму. Ее можно изготовить из обычного кровельного железа или других металлических листов. Разрешается сделать крышку резервуара при помощи кирпичной кадки. Для усиления ее конструкции поверхность дополнительно оштукатуривают с установкой арматурной сетки.
  6. Сверху крышки резервуара делаю люк, который должен герметически закрываться. Через нее также выводят газоотводный трубопровод. Дополнительно устанавливают клапан для сброса давления.
  7. Для перемешивания субстрата в резервуаре устанавливают несколько пластиковых труб. Они должны быть погружены в биомассу. В трубах делают множество отверстий, что позволяет перемешивать сырье при помощи движущихся пузырьков газа.

Расчет выхода биогаза

Выход биологического газа зависит от содержания в сырье сухого вещества и его типа:

  • из 1 т навоза от крупного рогатого скота получают 50-60 куб. м продукта с содержанием метана 60%;
  • из 1 т отходов растительного происхождения получают 200-500 куб. м биогаза с концентрацией метана 70%;
  • из 1 т жира получают 1300 куб. м газа с концентрацией метана 87%.

Для определения эффективности производства проводят лабораторные испытания используемого сырья. Рассчитывается его состав, что влияет на качественные характеристики биогаза.