Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установокhttps://media.dom-i-remont.info/2020/03/byogaz-3-1280x720-768x432.jpgТатьяна

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

05.03.2020
26 мин.
Газоснабжение

Поиск альтернативных видов топлива — тема, которая волнует людей уже несколько десятилетий. Причины такого интереса — постепенное и неизбежное истощение ресурсов планеты, счета за электроэнергию и газ, неизменно растущие каждый год. Помимо использования тепловой энергии солнца есть еще один довольно перспективный природный вид топлива. Это биогаз, ведь его можно получать, а потом использовать, не прибегая к чьей-либо помощи. Задача еще более упростится, если в хозяйстве есть домашний скот. Познакомиться с этой альтернативой, узнать о том, как должно проходить проектирование биогазовых установок, не мешает всем, кто заботится о будущем: своем, своих детей и внуков.

Что такое газ с приставкой «био»?

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Биогаз — продукт, получаемый в результате разложения органических веществ (например, навоза). Когда происходит процесс брожения (гниения), выделяются газы. Их нерационально «пускать на самотек»: их можно собрать, а потом понемногу расходовать на собственные нужды. То оборудование, в котором этот естественный процесс осуществляется, и называют «биогазовой установкой».

Если биологического газа получается слишком много, то его хранят в газгольдерах, чтобы использовать по мере необходимости. Другая возможность — продажа топлива. Побочным продуктом такого производства является безопасное, эффективное удобрение — перебродившие остатки. Ими хозяева пользуются для удобрения своих участков, или, если его количество слишком большое, продают.

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Образование биогаза происходит благодаря жизнедеятельности разнообразных бактерий, присутствующих в органических отходах. Чтобы их работа была максимально эффективной, микроорганизмам необходимо обеспечить идеальные «условия труда» — определенную температуру и влажность. Их гарантирует создание биогазовой установки. Это оборудование включает комплекс устройств, главное из них — биореактор. В нем происходит разложение массы, оно сопровождается газообразованием.

Принцип работы биогазовой установки

Проектирование биогазовых установок — процесс, который требует предварительного изучения их работы, поэтому сначала нужно познакомиться с возможными режимами работы биологического оборудования.

Методы получения своего газа

Их существует три. Отличаются режимы температурой, которая напрямую влияет на качество и количество конечного продукта.

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

  1. Психрофильный (не «психофильный»). Психрофилы или криофилы — бактерии, которые могут размножаться только при относительно низкой температуре. Она в биогазовой установке в этом случае минимальна — от 5 до 25°. Условия эти неблагоприятны: разложение происходит медленными темпами, газа образуется мало, а сам он получается довольно низкого качества.
  2. Мезофильный. При этом режиме температура в камере значительно выше: она составляет от 25 до 45°. Эти условия идеальны для размножения мезофильных бактерий, предпочитающих умеренную температуру: ни жаркую, ни холодную. Процесс переработки отнимает гораздо меньше времени (10-20 дней), а количество газа увеличивается.
  3. Термофильный. Бактерии, любящие высокую температуру, активно размножаются при 45-50° или выше. В этом случае производство занимает всего 3-5 дней, а выход газа максимальный. Если создать микроорганизмам идеальные условия, то 1 кг навоза сможет превратиться в 4,5 литра биогаза.

Большинство таблиц, относящихся к выходу газа, даны именно для термофильного режима, поэтому при выборе другого метода надо корректировать данные в меньшую сторону. Последний способ обещает высокую эффективность, однако для реализации он самый сложный.

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Процесс активного газообразования при термофильном методе начинается спустя 12 дней. Но даже незначительные перепады температуры (снижение на 2°) приводят к уменьшенному выходу газа. При психрофильном способе скорость переработки небольшая: образование большого количества биогаза начинается спустя 30-80 дней.

Чтобы создать такую биогазовую установку, необходима качественная теплоизоляция комплекса, постоянный подогрев и приборы для контроля температуры. Оборудование обеспечит самый большой выход газообразного продукта, однако небольшой минус у термофильного метода есть: это невозможность добавлять отходы, если переработка уже началась.

Принцип действия системы

Как уже было сказано, биогаз получают благодаря воздействию на органические отходы различных бактерий: гидролизных, кислото- или метанобразующих. Конечный продукт — биогаз, в котором присутствуют метан, углекислый газ и разные примеси (азот, аммиак, сероводород и т. д.).

Работает биогазовая установка таким образом:

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

  1. В накопительные емкости помещают различные органические отходы. Это продукты жизнедеятельности домашнего скота и птицы, пищевые отходы, отходы лесопереработки.
  2. Крупное сырье сначала измельчают. Потом жидкие (их перекачивают насосами) и твердые продукты (перемещают транспортерами) попадают в переходную емкость, где их перед дальнейшим «путешествием» дополнительно нагревают.
  3. Полностью подготовленная биомасса поступает в главную емкость — в биореактор. Он должен быть абсолютно герметичным, кислотостойким, надежным. Прочность этой камеры — та характеристика, которая даст возможность получить качественный продукт.
  4. В биореакторе, оборудованном устройствами для подогрева и перемешивания, сырье начинает бродить и разлагаться. Оптимальной считается температура 40°. Через некоторое время в бункере начинает скапливаться газ, образовываться удобрения.
  5. Готовый биогаз следует в газгольдер, который может стоять отдельно, или быть расположенным в одном корпусе с реактором. Затем он, благодаря создаваемому в «держателе газа» давлению, следует в систему очистки, после нее — к потребителю.

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Готовые биоудобрения отправляются в накопитель, в сепараторе они разделяются на твердые и жидкие продукты. Было проведено специальное исследование, которое доказало эффективность удобрений, перебродивших таким (анаэробным, без доступа воздуха) способом. Урожайность с их использованием повышается на 20-30%.

Газ и сырье для его получения

Главной составляющей биогаза является метан, его доля составляет около 60% всего объема. Примерно треть (35%) — углекислый газ. Оставшиеся 5% делят между собой другие вещества (например, водород, сероводород, азот). Биогаз, полученный таким способом, практически ничем не отличается от природного «коллеги», который повсеместно используется для бытовых и примышленных нужд.

Биогазовая установка работает благодаря бактериям: гидролизным, кислотообразующим и метанобразующим — метаногенам. Каждый вид микроорганизмов последовательно выполняет свой этап работы. Горючие газы образуются из любых остатков растительного, животного происхождения. Но главный поставщик замечательных бактерий — крупный рогатый скот, в кишечнике которого обитает эта естественная микрофлора. Микроорганизмы выводятся наружу с навозом. Именно он и является главным сырьем для биогазовых (газогенераторных) установок.

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Сначала в емкость помещают навоз, однако к нему можно добавлять любые органические отходы. Например, для переработки подойдут экскременты других животных или домашних птиц, растения, очистки от овощей, опилки, пищевые отходы. Растительные остатки сначала измельчают, разбавляют водой, а затем перемешивают. Чтобы получить не только газ, но и ценнейшее удобрение, нужно обеспечить одно обязательное условие — отсутствие доступа для воздуха.

Есть вещества, которые способны не только снизить, но и остановить деятельность бактерий. Например, любые химические примеси не допускаются. Запрещены даже малые доли антибиотиков, растворителей, синтетических моющих средств. Нельзя закладывать заплесневелые продукты и смолы, поэтому опилки хвойных деревьев использовать тоже не рекомендуют. Все отходы обязаны быть свежими либо предварительно просушенными. Уже гниющий навоз недопустим.

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Эффективность биогазовой установки в большей степени зависит от качества, вида сырья. Считают, что максимальный выход гарантирует индюшачий помет и свиной навоз, меньшее количество газа получают из коровьих экскрементов и силоса. При одинаковой массе загрузки.

Большой объем воды — противопоказание. Максимальная влажность 95% уже цифра критическая. Навоз и отходы советуют разводить чистой водой до консистенции, которую имеет негустая манная каша.

Плюсы и минусы биологического способа

Проектирование биогазовых установок — этап ответственный, поэтому перед принятием окончательного решения лучше взвесить все «за» и «против» этого метода.

К достоинствам такого производства относится:

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

  1. Рациональная утилизация органических отходов. Благодаря установке можно пустить в дело то, что в другом случае осталось бы просто мусором, загрязняющим окружающую среду.
  2. Неистощимость сырьевых запасов. Природный газ и уголь рано или поздно закончится, однако у тех, кто имеет собственное хозяйство, необходимые отходы будут появляться постоянно.
  3. Небольшое количество углекислого газа. Он выделяется в атмосферу при использовании биогаза, однако диоксид углерода не может негативно повлиять на экологическую обстановку.
  4. Бесперебойная и эффективная работа биогазовых установок. В отличие от солнечных коллекторов или ветряков, производство биогаза никак не зависит от внешних условий.
  5. Снижение риска благодаря использованию нескольких установок. Крупные биореакторы всегда большая угроза, но ее можно устранить, если сделать систему из нескольких ферментеров.
  6. Получение высококачественного удобрения.
  7. Небольшая экономия энергоресурсов.

Еще один плюс — возможная выгода для состояния почвы. Некоторые растения высаживают на участке специально для получения биомассы. В этом случае можно выбрать те из них, что способны улучшить качество грунта. Пример — сорго, снижающее его эрозию.

Каждый вид альтернативных источников имеет свои недостатки. Биогазовые установки не исключение. Минусом является:

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

  • повышенная опасность оборудования;
  • энергозатраты, требующиеся для переработки сырья;
  • незначительный выход биогаза из-за небольшого объема домашних систем.

Сложнее всего сделать биогазовую установку, предназначенную для самого эффективного, термофильного режима. Расходы в этом случае обещают быть серьезными. Такое проектирование биогазовых установок лучше возложить на профессионала.

Схема биогазовой конструкции

Проектирование биогазовых установок невозможно без знакомства с их схемой. Основным элементом ее является реактор, или бункер, в котором происходит процесс брожения и производство газа. Помимо него должны быть отдельные бункеры (люки) для загрузки/выгрузки продуктов — сырья и готовых удобрений. В верхнюю часть биореактора вставляют трубу, предназначенную для отвода образовавшегося газа.

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

После нее располагают систему для доработки газа — его очистки, повышения давления в газопроводе до рабочего состояния. Мезофильным и термофильным режимам требуется система подогрева биореактора. Эту роль, как правило, исполняют газовые котлы, которые работают на произведенном топливе. С биореактором прибор связывает система трубопроводов. Для них используют полимерные трубы, лучше переносящие воздействия агрессивных сред.

Система для перемешивания разлагающегося сырья — следующий необходимый элемент. Процессу газообразования препятствует корка, образующаяся на поверхности, и твердые частицы, которые неизменно скапливаются в нижней части емкости. Чтобы обеспечить однородность биомассы, используют мешалки, механические либо автоматические. Первые требуют ручного труда, вторые запускают с помощью таймера. Автоматизированные системы обойдутся значительно дороже, зато процесс будет требовать минимум внимания.

Эти системы классифицируют по типу установки. Они бывают надземными, полузаглубленными или заглубленными. Последние обещают уменьшение расходов на подогрев, более простое обустройство теплоизоляции системы, поэтому, планируя проектирование биогазовых установок, лучше учитывать, что этот более затратный способ все же оптимален именно для российских реалий. Минус у него один: это необходимость земляных работ.

Проектирование биогазовых установок

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Перед тем как приступать к этому этапу, нужно найти идеальное место для системы. Чтобы обеспечить удобство и минимизировать затраты, биогазовую установку рекомендуют располагать поблизости от источника сырья — от построек, где содержатся животные. Оптимальный вариант — загрузка, происходящая самотеком. На практике это реализуют с помощью трубопровода, находящегося под уклоном в сторону реактора.

Этот способ даст шанс свести к минимуму ручной труд — уборку навоза и обслуживание системы. Единственным минусом можно считать удаленность жилья для животных от дома. Однако протянуть к нему трубопровод проще, чем создавать линию, предназначенную для транспортировки и загрузки сырья — помета и навоза.

Биореактор и материалы для него

К главной емкости предъявляют довольно серьезные требования.

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

  1. Герметичность и максимальная прочность. Сырье не должно иметь никаких контактов с внешней средой, даже микроскопическое отверстие для газа сделает весь процесс бессмысленным. К тому же жидкость не должна загрязнять окружающее пространство. Только прочная емкость позволит сосуду выдержать массу загруженного сырья, а также давление, создаваемое биогазом и грунтом.
  2. Удобство для обслуживания оборудования. В нашем случае оптимальный сосуд — цилиндрическая емкость, которая облегчит перемешивание, позволит избежать появления застойных участков. Она может быть как вертикальной, так и горизонтальной. Прямоугольные биореакторы более удобны, если биогазовую установку делают самостоятельно, но их слабые места — углы, в которых образуются трещины, а субстрат хорошо перемешать невозможно.

Если емкость есть в наличии, и отвечает этим требованиям, то проблем не существует. Когда ее нет, придется искать подходящий вариант. Главное условие для материалов — отсутствие боязни агрессивных сред, так как биомасса может иметь щелочную или, наоборот, кислую реакцию.

Металл

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Первый прочный кандидат — металл, позволяющий придать реактору любую форму, если хозяин умеет обращаться со сварочным аппаратом. Если в хозяйстве есть старая, но крепкая цистерна, то проблему можно считать почти решенной. Чтобы минимизировать риск ее разрушения из-за постоянного контакта с химически активными веществами, металлическую емкость нужно защитить антикоррозийным покрытием.

Полимер

Пластик — второй достойный претендент. Он не ржавеет, не гниет, химически корректен, так как «соблюдает нейтралитет». Однако для полимерного материала есть несколько жестких требований. Стенки емкости должны быть толстыми, идеально, если они к тому же армированы стекловолокном. Такой биореактор с легкостью выдержит давление и нагрев до относительно высокой температуры. Минус данной тары — высокая цена, плюс — долговечность.

Бетонные блоки, камень, кирпич

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Это последний вариант, который можно рассмотреть тем, кто привык работать с кладкой, или имеет знакомых мастеров. В этом случае она обязана выдерживать сильные нагрузки, поэтому необходимо ее армирование через каждые 3-5 рядов. Для обеспечения непроницаемости стен рекомендовано сделать многослойную обработку стен, внутренних и наружных. Их штукатурят цементно-песчаным раствором со специальными добавками, гарантирующими газо- и водозащиту.

Размеры главного бункера

Объем будущего реактора зависит от выбранного температурного режима производства. Для самостоятельного сооружения биосистемы «от навоза к газу» чаще предпочитают мезофильный метод, так как такую установку гораздо легче обслуживать. Еще одно преимущество — возможность дозагружать реактор. Если условия созданы идеальные, то образование биогаза идет достаточно стабильно. Для расчета объема реактора отправной точкой является количество навоза и помета, появляющегося в хозяйстве за сутки. Необходимо привести среднестатистические данные:

  • куры — 0,17 кг, влажность — 75%;
  • свиньи — 4,5 кг, влажность 86%;
  • КРС — 40 кг, влажность — 86%.

Для разложения навоза при мезофильном режиме требуется 10-20 дней. Чтобы высчитать объем, массу умножают на количество дней. При расчетах не забывают о воде, которую, возможно, придется добавлять: идеальная влажность подготовленной (измельченной) биомассы — 85-90%. Полученный результат увеличивают на 50%, так как биомасса не должна занимать больше 2/3 объема резервуара, необходимо оставить место для газа.

Загрузка, выгрузка

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Бункеры и люки для поступления и эвакуации продуктов делают в противоположных сторонах емкости, эта предусмотрительность даст возможность равномерного распределения субстрата. Если планируется заглубленное оборудование, то трубы, как загрузочные, так и разгрузочные, монтируют под острым углом.

Нижний их конец должен быть расположен ниже уровня биомассы, чтобы воздух в резервуар не попадал. Трубы оборудуют задвижками: поворотными либо отсечными. Их открывают только во время загрузки/выгрузки. Рекомендованный диаметр — 200-300 мм, меньший размер приведет к постоянному забиванию их крупными непереваренными фрагментами. Трубы подсоединяют после установки резервуара, но до его утепления.

Оптимальный режим работы — производство с регулярной загрузкой нового сырья и удалением отработанного. Это операции проводят раз в 1-2 суток. Массу собирают в накопительной емкости, там ее измельчают, при необходимости добавляют воду, размешивают. Мешалка, даже механическая, позволит минимизировать ручной труд. Если этот сосуд-приемник поместить в солнечное место, то расходы на подогрев уменьшатся.

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Глубина установки реактора должна быть такой, чтобы навоз смог двигаться без участия человека. Заслонка в период накапливания сырья в нем должна быть закрыта. Чтобы гарантировать герметичность установки, для зоны приема и выгрузки предусматривают резиновые уплотнители. Минимальное количество воздуха в главной емкости — шанс выхода чистого газа.

Система для сбора и отвода биогаза

Трубу для отведения газа монтируют на верхней поверхности резервуара. Другой ее конец отпускают в герметичную емкость, наполненную водой. Ее называют гидрозатвором. Вторая труба, расположенная над поверхностью жидкости, принимает очищенный газ. На выходе устанавливают отсечный кран, обычно рекомендуют шаровое устройство.

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Для избавления биогаза от примесей используют разные способы. Углекислый газ можно устранить, если засыпать в гидрозатвор гашеную известь, однако ее придется периодически менять. Сероводород удаляют с помощью емкостей-фильтров, заполненных металлической стружкой, ее замена — старые металлические мочалки. Газ, проходя через металл, лишается сероводорода, скапливается в верхней части емкости, затем следует дальше через другую трубу.

Сушат газ с помощью установки в газопроводе дополнительных гидрозатворов для устранения конденсата. Минус способа — необходимость время от времени сливать воду, иначе газопровод может быть заблокирован. Другой вариант — емкость с силикагелем. В этом случае тоже потребуется его периодическое осушение: например, прогревание при помощи СВЧ-печи.

Для передачи газа используют или газовые трубы из ППР или ПНД, или металлические гальванизированные. При любой работе с газовым оборудованием проверка стыков мыльной пеной обязательна. Трубопровод собирают из труб и фитингов одного диаметра.

Газгольдер

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Очищенный газ, который не используют сразу, поступает для хранения в газгольдер. Резервуаром способна стать крепкая и надежная (газонепроницаемая) емкость из пластика, герметичный мешок из полиэтилена и т. д. К потребителю — котлу или плите — газ поступает при помощи компрессора. Чтобы гарантировать стабильное давление за компрессором устанавливают ресивер, исключающий его скачки.

Варианты для перемешивания

Самый простой способ перемешать биомассу — сделать механическую мешалку. Если мускульной силы для большой емкости недостаточно, то устройство снабжают электродвигателем, который включается в работу таймером.

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Другой вариант — использование произведенного газа. Чтобы устроить такую мешалку, на выходе из резервуара монтируют тройник. Благодаря новому ответвлению часть газа отправляется обратно, а выходит через небольшие отверстия, проделанные в трубе, опущенной в биомассу. Газ, «сделавший свое дело», не расходуется напрасно: потом он отправляется в газгольдер.

Последний способ — применение фекальных насосов, которые забирают субстрат снизу, а потом выливают сверху. Недостаток у этой идеи один — зависимость от электроэнергии.

Подогрев, теплоизоляция

Нагревание емкости обязательно, так как сравнительный холод любят только бактерии-психрофилы, а сам процесс затянется как минимум на 30 дней, однако нередко требуется даже больший срок. В теплое время года предварительный подогрев субстанции, хорошая теплоизоляция и жаркая погода могут обеспечить почти идеальные условия, однако зимой они недостижимы.

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Есть один, самый рациональный, способ получить благоприятную температуру. Это использования котла: электрического, работающего на жидком, твердом топливе, или на полученном газе. Максимальная температура воды — 60°. Более высокие значения спровоцируют налипание частиц субстрата на трубы.

Для подогрева массы могут быть использованы обычные радиаторы, трубы, согнутые в змеевик, сварные элементы. Лучший материал для них — полипропилен или металлопластик. Возможно использование гофрированных труб из нержавеющей стали: они удобны для укладки, зато на них охотно налипают частички биоматериала.

Чтобы бороться с потенциальным притяжением частиц, их рекомендуют располагать в зоне мешалки, но так, чтобы устройство их не задевало. В нижней части емкости устраивать систему обогрева нерационально из недостаточного ее эффекта, поэтому лучше располагать батареи на стенках.

Устройство, преимущества и недостатки, проектирование биогазовых установок

Водяной обогрев биореактора может быть как наружным, так и внутренним. Первый способ требует большего расхода тепла, однако мешалки помехой не станут. Второй метод не дает возможности регулярного обслуживания и ремонта, поэтому при его обустройстве всем соединениям нужно уделить максимум внимания.

Утепление начинается с котлована: в него насыпают слой песка, затем укладывают слой теплоизоляции — глины, которую смешивают с керамзитом, соломой, шлаком. Можно каждый материал укладывать послойно отдельно. Подготовленную поверхность выравнивают, потом устанавливают резервуар.

Стенки биореактора утепляют по-разному. Самый элементарный вариант — обмазка глиной, смешанной с соломой, в несколько слоев. Подходящие современные теплоизоляционные материалы — газоблоки низкой плотности, экструдированный пенополистирол, пенополиуретан, вспененное стекло (бой, крошка).

Проектирование биогазовых установок — этап, который нужно серьезно обдумать и идеально выполнить. Поэтому только помощь специалиста даст возможность получить идеально работающую систему. Малейшая ошибка в этом случае, наоборот, приведет к небольшой эффективности оборудования.

Следующее видео расскажет о том, как получить «свой» газ:

Была ли статья полезна?
Мы хотим стать лучше. Спасибо за мнение!
Теги:
газоснабжение
проектирование биогазовых установок
Комментарии
Комментариев пока нет
Добавить комментарий
Ваше имя
Ваш комментарий