Биогаз своими руками сделай сам.

Ускорение роста цен на традиционные энергоносители и отсутствие надёжного обеспечения значительного количества населённых пунктов, удалённых мест индивидуального проживания, заставляет наших специалистов вновь обратить своё и всеобщее внимание на возможности биогазовой энергетики. В 90-х годах ПО Стройтехника уже производило и поставляло на рынок биогазовые установки различной производительности. Был накоплен существенный опыт проектирования и эксплуатации БГУ. Но в период финансовой "эйфории", когда мало кого занимали вопросы экономии ресурсов, программа производства биогазовых установок была закрыта. В настоящее время данное направление работы вновь представляется актуальным.

Биоотходы сельскохозяйственного производства, как правило, вывозятся за территории ферм и складируются для последующей простой переработки или с целью естественной природной утилизации (перегнивание). Бытовой мусор вывозится на свалки ТБО. И то, и другое приводит к заражению, закислению почвы, делает её непригодной для возделывания без применения дорогостоящих мер по оздоровлению, реабилитации. Продукты разлагающихся отходов, проникают в грунтовые воды, приводят к выбросам в атмосферу парниковых газов и многим другим негативным последствиям.
В случае с бытовыми органическими отходами задача утилизации решается с помощью сортировки и последующей переработки. На агропромышленных предприятиях или в фермерских хозяйствах ситуация проще: сортировка там практически не нужна. Отходы могут сразу поступать на переработку.

Сегодня вновь актуальна проблема восстановления и развития отечественного сельского хозяйства. Уровень эффективности и рентабельности агропромышленного производства напрямую зависит от технологичности процессов внутри конкретного предприятия, поэтому внедрение технологий по безотходному производству и оптимизации использования ограниченных ресурсов является первостепенной задачей.Отходы сельхозпроизводства, которые подлежат утилизации, содержат в себе ещё значительное количество биологического энергоносителя, биомассы. Энергетический потенциал этих отходов заключается в возможности производства из них биологического газа.

На торфяниках и в болотах или в желудках жвачных животных: биогаз образуется везде, где происходит разложение органического вещества во влажной среде и без доступа кислорода. Множество бактерий, включая метановые бактерии, выполняют здесь основную работу. Биогазовая установка воспроизводит этот процесс при помощи технических средств. Выход и состав его варьируются в зависимости от состава исходного сырья, а также технологического процесса. В конечном счете, содержание энергии в нем напрямую зависит от содержания в нем метана. Так например, один кубический метр (м3) метана обладает запасом энергии равной приблизительно 10 киловатт часам. 

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 его производстве  участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. Одной из разновидностей его является биоводород, где конечным продуктом жизнедеятельности бактерий является не метан, а водород.

По своим качествам биогаз является полноценным носителем энергии высокого качества и может быть использован в качестве топлива в предпринимательстве и домашнем хозяйстве для производства электроэнергии, приготовления пищи, отопления промышленных и жилых помещений, сушки, кипячения и охлаждения.

Биогаз можно получить из многочисленных органических исходных материалов. В сельскохозяйственных биогазовых установках таким сырьем являются в основном энергетические культуры, выращиваемые специально для этой цели, а также экскременты животных (жидкий и твердый навоз), которые служат в качестве субстратов. Использование жидкого навоза и других сельскохозяйственных удобрений имеет большое значение, не только с точки зрения защиты климата (снижение выбросов); оно также играет определенную роль в стабилизации процесса. Культуры, которые используются в качестве возобновляемых ресурсов, включают кукурузу, зерновые, травы, сахарную свеклу и многие другие; однако, больша доля в настоящее время приходится на кукурузу, благодаря ее высокой урожайности и высокому выходу биогаза, а также самым низким удельным затратам. Впрочем, в некоторых регионах масштабное выращивание кукурузы может оказать неблагоприятное влияние на плодородие почвы и на биоразнообразие. Общественное обсуждение этой темы набирает обороты, оказывая тем самым сильное давление на поиск альтернатив. Цель состоит в том, чтобы организовать наиболее устойчивый и экологически чистый процесс выращивания энергетических культур. Соответственно, новые энергетические культуры, такие как растение чашка (сильфия пронзеннолистная ), сорго, полевые цветы или специальные травы сейчас находятся в центре внимания.

Состав и качество :

50—87 % метана, 13—50 % CO₂, незначительные примеси H₂ и H₂S. После очистки  от СО₂ получается биометан. Биометан — полный аналог природного газа, отличие только в происхождении.

Поскольку только метан поставляет энергию из него, целесообразно, для описания качества газа, выхода газа и количества газа все относить к метану, с его нормируемыми показателями. Объём газов зависит от температуры и давления. Высокие температуры приводят к расширению газа и к уменьшаемому вместе с объёмом уровню калорийности и наоборот. Кроме того при возрастании влажности калорийность газа также снижается. Чтобы выходы газа можно было сравнить между собой, необходимо их соотносить с нормальным состоянием (температура 0 °C, атмосферное давление 1,01325 bar, относительная влажность газа 0%). В целом данные о производстве газа выражают в литрах (л) или кубических метрах (м³) метана на 1 кг органического сухого вещества (ОСВ), это намного точнее и красноречивее, нежели данные в м³ биогаза в м³ свежего субстрата.

Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, птичий помёт, зерновая и мелассная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов — соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля — технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков — жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки — мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов — очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа.

Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия, а также водорослей. Выход газа может достигать до 300 м³ из 1 тонны.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50—65 м³ биогаза с содержанием метана 60 %, 150—500 м³ биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70 %. Максимальное его количество  — это 1300 м³ с содержанием метана до 87 % — можно получить из жира.

Различают теоретический (физически возможный) и технически-реализуемый выход газа. В 1950-70-х годах технически возможный выход газа составлял всего 20-30 % от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать его выход  на самой обычной установке с 60 % до 95 %.

В биогазовых расчётах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа.

На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза.

Чтобы посчитать выход его из конкретного сырья, необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные и определить содержание жиров, белков и углеводов. При определении последних важно узнать процентное содержание быстроразлагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудноразлагаемых веществ (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание веществ, можно вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить.

Раньше, когда не было науки о биогазе и биогаз ассоциировался с навозом, применяли понятие «животной единицы». Сегодня, когда его научились получать из произвольного органического сырья, это понятие отошло и перестало использоваться.

Ввиду того что стремительно растет количество органических отходов, производство биогаза, решает проблему утилизации отходов, тем самым предотвращая выбросы метана в окружающую среду, позволяет снизить использование химических удобрений, и предотвращает загрязнение грунтовых вод. Также, производство его еще выгодно тем, что для его получения не нужно закупать сырье, так как почти на каждом предприятии есть органические отходы.
Он используется как топливо, для получения пара, тепла, электроэнергии и как топливо для автомобилей. В некоторых странах он используется для приготовления пищи.
Исходя из того что биогаз – это продукт переработки органического сырья и производство его решает широкий спектр экологических проблем, в промышленно развитых странах биогаз занимает ведущее место в производстве до 18% в общем энергобалансе.
С развитием автомобилестроения и проблемой экологии, все больше автогигантов оснащают автомобили двигателями на нем.
И, наверное, самый главный аспект – биогаз дает полную энергонезависимость.

Для того чтобы получить биогаз, понадобиться специальное устройство: биогазовая установка. Она представляет собой комплекс инженерных сооружений, который состоит из агрегатов и емкостей, предназначенных для хранения и подготовки сырья, непосредственно самого производства , а также его сбора и очистки, выделения таких побочных продуктов переработки как сухая часть, которая используется для получения высококачественных минеральных удобрений и воды. Для получения электроэнергии биогазовая установка может быть совмещена с мини газотурбинным или другим типом генератора. Для получения не только электро, но и дополнительно тепловой энергии, биогазовый завод комплектуется когенерационными установками.

Поучение биогаза происходит в специальных, корозионностойких цилиндрических герметичных цистернах, также их называют ферментерами. В таких емкостях протекает процесс брожения. Но до того как попасть в ферментер, сырье загружается в емкость приемник. Тут оно смешивается с водой до однородного состояния, с помощью специального насоса. Далее из емкости приемника в ферментеры вводится уже подготовленный сырьевой материал. Надо заметить, что процесс перемешивания при этом не останавливается и продолжается до тех пор, пока в емкости приемнике ничего не останется. После ее опустошения насос автоматически останавливается. И вот, процесс ферментации запущен, начинает выделяться биогаз, который по специальным трубам поступает в газгольдер, размещенный неподалеку.

Биогазовая установка, как правило, представляет собой герметически закрытую емкость, в которой при определенной температуре происходит сбраживание органической массы отходов, сточных вод и т.п. с образованием биогаза.

Этапы работы биогазовой установки.

• 1. Доставка продуктов переработки и отходов в установку. В том случае, если отходы жидкие их целесообразно доставлять в реактор с помощью специализированных насосов. Более твердые отходы могут доставляться в реактор вручную, либо по средствам транспортной ленты. В некоторых случаях целесообразно подогреть отходы, дабы увеличить их скорость брожения и распада в биореакторе. Для подогрева отходов используется переходная емкость, в которой продукты переработки доводятся до нужной температуры.
• 2. Переработка в реакторе. После переходной емкости, подготовленные (и подогретые!) отходы попадают в реактор. Качественный биореактор представляет собой герметичную конструкцию, изготовленную из особо прочной стали, либо из бетона, имеющего специальное, антикислотное покрытие. В обязательном порядке, реактор должен иметь идеальную тепловую и газовую изоляцию. Даже малейшее попадание воздуха или снижение температуры повлечет остановку процесса брожения и распада. Подогрев реактора осуществляется с помощью трубок с горячей водой. Система автономна. Нагрев воды происходит с помощью вырабатываемого биогаза. Реактор работает без доступа кислорода, в полностью замкнутой среде. Несколько раз в день, с помощью насоса в него можно добавлять новые порции перерабатываемого вещества. Оптимальный температурный режим реактора – около 40 градусов Цельсия. Если температура меньше, то процесс брожения существенно замедлится. Если увеличить температуру, то произойдет быстрое испарение воды, что не позволит отходам полностью распасться. Для того, чтобы ускорить процесс брожения используется специальный миксер. Данное устройство перемешивает субстанцию в реакторе через определенный промежуток времени.
• 3. Выход готового продукта. По истечению определенного времени (от нескольких часов, до нескольких дней) появляются первые результаты брожения. Это биогаз и биологические удобрения. В итоге получившийся биогаз попадает в газгольдер (бак для хранения газа). Давление газа в газгольдеры регулируется с помощью клапанов. В случае чрезмерного давления будут задействованы аварийные горелки, которые попросту сожгут лишний газ, и тем самым стабилизируют давление. Получаемый биогаз нуждается в усушке. Лишь после этого его можно использовать, как обычный природный газ. Отдельно следует сказать, что для поддержания работы биогазовой установки требуется около 15% получаемого газа. В свою очередь биологические удобрения попадают в специально подготовленный бак с сепаратором. Происходит разделение на твердые (биогумус) и жидкие удобрения. Биогумус составляет всего лишь около 5% от общего количества получаемых удобрений. Собственно, удобрения сразу могут быть использованы по назначению. Дополнительной переработки они не требуют. Более того, в Европе существуют целые поточные линии, которые запаковывают полученные биологические удобрения в пластиковые емкости. Торговля подобными удобрениями – достаточно прибыльный бизнес. Работа биогазовой установки непрерывна. Выражаясь проще, в реактор постоянно попадают новые порции перерабатываемого материала, а в газгольдер и сепараторный бак также постоянно попадает газ и биологические удобрения.

Эксплуатация и монтаж биогазовой установки. Монтаж биогазовой установки строго индивидуален. Нельзя просто привезти и собрать вместе все компоненты. Необходимо провести целый ряд подготовительных работ, выкопать несколько крупных котлованов, осуществить качественную изоляцию реактора. Следует учесть все индивидуальные особенности фермерского хозяйства или предприятия, и сделать биогазовую установку актуальной под конкретные задачи. Следить за биогазовой установкой сможет один человек, так как процесс переработки полностью автоматизирован. Эксплуатация установки не требует больших расходов. При хорошем присмотре и своевременном сервисном обслуживании ежегодные затраты на содержание такой установки не превысят 5% ее первоначальной стоимости.

Преимущества использования биогазовой установки. Биогазовая установка по-настоящему волшебное устройство, которое позволяет получать из отходов производства и навоза, действительно необходимые вещи. В частности, можно получить:

• Биогаз
• Биологические удобрения
• Электрическую и тепловую энергию
• Топливо для автомобилей.

Рис.1. Схема переработки органических отходов на биогазовых установках

Оптимизация процесса переработки сырья

Условия, необходимые для переработки органических отходов внутри реактора биогазовой установки, кроме соблюдения бескислородного режима, включают:

• Соблюдение температурного режима;
• Доступность питательных веществ для бактерий;
• Выбор правильного времени сбраживания и своевременная загрузка и выгрузка сырья;
• Соблюдение кислотно-щелочного баланса;
• Соблюдение соотношения содержания углерода и азота;
• Правильную пропорцию твердых частиц в сырье и перемешивание;
• Отсутствие ингибиторов процесса.

Типы биогазовых установок

Существует много различных конструкций биогазовых установок. Их различают по методу загрузки сырья, по внешнему виду и по составным частям конструкции и материалам, из которых они сооружаются.

По методу загрузки сырья выделяют установки порционной и непрерывной загрузки, которые отли­чаются временем сбраживания и регулярностью загрузки сырья. Наиболее эффективными с точки зрения выработки биогаза и получения биоудобрений являются установки непрерывной загрузки.

По внешнему виду установки различаются в зависимости от способа накопления и хранения биогаза. Газ может собираться в верхней твердой части реактора, под гибким куполом или в специальном газгольде­ре, плавающем или стоящим отдельно от реактора.

Что можно делать с биогазом?

• сжигать в котлах как природный газ;
• сжигать для производства тепловой и электрической энергии;
• после обогащения до метана использовать для заправки автомобилей.

Биоудобрения

Биогазовая технология позволяет ускоренно получить с помощью анаэробного сбраживания натуральное биоудобрение, содержащее биологически активные вещества и микроэлементы. Основным преимуществом биоудобрений по сравнению с традиционными удобрениями, является форма, доступность и сбалансированность всех элементов питания, высокий уровень гумификации органического вещества. Органическое вещество служит мощным энергетическим материалом для грунтовых микроорганизмов, поэтому после внесения в почве происходит активизация азотофиксирующих и других микробиологических процессов. Факторы выше позитивно влияют на грунт, улучшение физико-механических свойств почвы, и как следствие при использовании сбалансированных биоудобрений после биогазовой установки, урожайность повышается на 30-50%.

          Электроэнергия Из 1 м3 биогаза в когенерационной теплоэлектростанции можно выработать 2,3 кВтч электроэнергии + 2,8 кВтч тепловой. Биогаз сжигается в теплоэлектростанции напрямую без обогащения. Справочная информация: Когенерационные установки – представляют собой оборудование для комбинированного производства электроэнергии и тепла, в них применяются газопоршневые двигатели внутреннего сгорания, приспособленные к работе на биогазе. Теплоэнергия Теплоэнергию, выработанную из биогаза можно использовать для:

• обогрева помещений;
• технологических целей;
• получения пара.

         Теплоэнергию можно получать при охлаждении двигателя когенерационной установки. Также, биогаз можно сжигать напрямую или специальных обогревателях, работающих на биогазе. Как вариант, теплоэнергия может использоваться для приведения в действие испарителей рефрижераторов. Теплоэнергию можно использовать для обогрева теплиц в тепличных хозяйствах.

          Метан Для заправки автомобилей или подачи газа в газотранспортную систему устанавливается дополнительная система обогащения биогаза до биометана (удаление СО2). После такой очистки, полученный газ – аналог гостовского природного газа (90-95 % метана CH4). Отличие только в его происхождении. Справочная информация: СО2 (диоксид углерода) – бесцветный газ со слегка кисловатым запахом, не токсичен. Является основным источником углерода для растений. В жидком состоянии хранится в баллонах под высоким давлением 65-70 атм., в твердом — представляет собой так называемый сухой лед. Используют в теплицах, овощехранилищах, пищевой промышленности (как консервант, или для газировок и лимонадов), морозильных установках, огнетушителях. Метановая заправочная станция Если бы не строилась биогазовая станция, то для нового предприятия все равно пришлось бы строить очистные сооружения и хранилище для отходов. При строительстве биогазовой станции получаем экономию капитальных затрат. Наример, объем хранилищ необработанного навоза в 2 раза больше объемов хранилища переброженной массы после биогазовой станции. Навоз в соединении с водой образует коллоиды. Из-за этого влага плохо испаряется, а при попадании осадков задерживается. А при строительстве БГУ, на выходе переброженная минерализованная вода не склонная к образованию коллоидов.

              Экология Биогазовая установка – это самая активная система очистки. Любые другие системы очистки потребляют энергию, а не производят. Поскольку процесс происходит без доступа воздуха (ферментаторы полностью герметичны), то запахи при переработке не распространяются. Биогазовая установка позволяет убрать основную массу загрязняющих органических веществ, поэтому после установки отходы не имеют ужасного запаха. Биогазовая установка своим присутствием позволяет уменьшить санитарную зону (расстояние от предприятия до жилой зоны) с 500 м до 150 м. Для многих предприятий цена вопроса экологии часто сопоставима с жизнью предприятия. При комплектации биогазовой установки устройствами с дополнительной степенью очистки, как например, мембранными фильтрами, можно понизить уровни ХБК и БПК до приемлемых для слива в канализацию или водоем. 

 ХБК — химическая потребность в кислороде и БПК биологическая потребность в кислороде.