Альтернативное отопление — биогазовая установка

Среди важных составляющих нашей жизни большое значение имеют энергоносители, цены на которые растут чуть ли не каждый месяц. Каждый зимний сезон пробивает брешь в семейных бюджетах, заставляя нести расходы на отопление, а значит, на топливо для печей и отопительных котлов. А как быть, ведь электроэнергия, газ, уголь или дрова стоят денег и чем более удалены наши жилища от крупных энергетических магистралей, тем дороже обойдется отопление… Между тем альтернативное отопление, не зависимое от каких-либо поставщиков и тарифов, можно построить на биогазе, добыча которого не требует ни геологоразведки, ни бурения скважин, ни дорогостоящего насосного оборудования.

Биогаз можно получить в практически домашних условиях, понеся при этом минимальные, быстро окупаемые затраты — большую часть ответов по этому вопросу содержит данная статья.

  1. Отопление биогазом — история
  2. Биогаз — что это
  3. От каких факторов зависит выход биогаза с более высоким содержанием метана
  4. Биогазовые установки
  5. Биогазовая установка своими руками
    5.1. Форма биореактора
    5.2. Место размещения биореактора
    5.3. Оснащение биореактора
    5.4. Теплоизоляция биореактора
    5.5. Загрузка и выгрузка органического субстрата

Отопление биогазом — история

Интерес к горючему газу, образующемуся на болотах в теплый сезон года, возник еще у наших далеких предков — передовые культуры Индии, Китая, Персии и Ассирии экспериментировали с биогазом свыше 3 тысячелетий назад. В те же древние времена в родоплеменной Европе швабы-алеманны заметили, что выделяемый на болотах газ отлично горит — они использовали его в отоплении своих хижин, подводя к ним газ по кожаным трубам и сжигая в очагах. Швабы считали биогаз «дыханием драконов», которые, по их мнению, жили в болотах.

Спустя века и тысячелетия, биогаз пережил второе свое открытие — в 17-18 веках сразу два европейских ученых обратили на него внимание. Известный химик своего времени Ян Баптиста ван Гельмонт установил, что при разложении любой биомассы образуется горючий газ, а прославленный физик и химик Алессандро Вольта установил прямую зависимость между количеством биомассы, в которой идут процессы разложения, и количеством выделяемого биогаза. В 1804 году английский химик Джон Дальтон открыл формулу метана, а четырьмя годами позже англичанин Гемфри Дэви обнаружил его в составе болотного газа.Интерес к практическому применению биогаза возник с развитием газового освещения улиц — в конце 19-го века улицы одного района английского города Эксетера освещались газом, полученным из коллектора со сточными водами.

В 20-м веке потребность в энергоносителях, вызванная Второй мировой войной, вынудила европейцев искать альтернативные источники энергии. Биогазовые установки, в которых газ вырабатывался из навоза, распространились в Германии и Франции, частично в Восточной Европе. Однако после победы стран антигитлеровской коалиции о биогазе забыли — электроэнергия, природный газ и нефтепродукты полностью покрыли потребности производств и населения.

Сегодня отношение к альтернативным источникам энергии резко изменилось — они стали интересны, поскольку стоимость привычных энергоносителей возрастает год от года. По своей сути биогаз — реальный способ уйти от тарифов и расходов на классические энергоносители, получить свой собственный источник топлива, причем на любые цели и в достаточном количестве.

Наибольшее количество биогазовых установок создано и эксплуатируется в Китае: 40 миллионов установок средней и малой мощности, объем производимого метана — около 27 млрд. м3 за год.

Биогаз — что это

Это газовая смесь, состоящая в основном из метана (содержание от 50 до 85%), углекислого газа (содержание от 15 до 50%) и прочих газов в гораздо меньшем процентном содержании. Биогаз производят команда из трех видов бактерий, питающихся биомассой — гидролизные бактерии, производящие пищу для кислотообразующих бактерий, которые в свою очередь снабжают пищей метанобразующие бактерии, формирующие биогаз.

Ферментация исходного органического материала (к примеру, навоза), продуктом которой и будет биогаз, проходит без доступа внешней атмосферы и называется анаэробной. Другой продукт такой ферментации, называемый компостным перегноем, хорошо известен сельским жителям, применяющим его для удобрения полей и огородов, а вот производимые в компостных кучах биогаз и тепловая энергия обычно не используются — и напрасно!

От каких факторов зависит выход биогаза с более высоким содержанием метана

Прежде всего — от температуры. Активность бактерий, ферментирующих органику, тем выше, чем выше температура окружающей их среды, при минусовых температурах ферментация замедляется или прекращается полностью. По этой причине выработка биогаза более всего распространена в странах Африки и Азии, расположенных субтропиках и тропиках. В климате России получение биогаза и полный переход на него, как на альтернативной топливо, потребует теплоизоляцию биореактора и введение теплой воды в массу органики, когда температура внешней атмосферы опускается ниже нулевой отметки.Органический материал, закладываемый в биореактор, должен быть биологически разлагаемым, требуется вводить в него значительное количество воды — до 90% от массы органики. Важным моментом будет нейтральность органической среды, отсутствие в ее составе компонентов, препятствующих развитию бактерий, вроде чистящих и моющих веществ, любых антибиотиков. Биогаз можно получить из практически любых отходов хозяйственного и растительного происхождения, сточных вод, навоза и т.д.

Процесс анаэробной ферментации органики лучше всего проходит, когда значение pH находится в диапазоне 6,8-8,0 — большая кислотность замедлит формирование биогаза, т.к. бактерии будут заняты потреблением кислот и производством углекислого газа, нейтрализующего кислотность.

Соотношение азота и углерода в биореакторе необходимо рассчитать, как 1 к 30 — в этом случае бактерии получат необходимое им количество углекислого газа, а содержание метана в биогаза будет наивысшим.

Лучший выход биогаза с достаточно высоким содержанием метана достигается, если температура в ферментируемой органике находится в диапазоне 32-35 °С, при более низких и более высоких значениях температуры в биогазе увеличивается содержание двуокиси углерода, его качество падает. Бактерии, производящие метан, подразделяются на три группы: психрофильные, эффективны при температурах от +5 до +20 °С; мезофильные, их температурный режим от +30 до +42 °С; термофильные, работающие в режиме от +54 до +56 °С. Для потребителя биогаза наибольший интерес представляют мезофильные и термофильные бактерии, ферментирующие органику при большем выходе газа.

Мезофильная ферментация менее чувствительная к изменениям температурного режима на пару градусов от оптимального диапазона температур, требует меньших затрат энергии на обогрев органического материала в биореакторе. Ее минусы, по сравнению с термофильной ферментацией, в меньшем выходе газа, большим сроком полной переработки органического субстрата (около 25 дней), разложенный в результате органический материал может содержать вредоносную флору, т.к. невысокая температура в биореакторе не обеспечивает 100% стерильности.

Подъем и поддержание внутриреакторной температуры на уровне, приемлемом для термофильных бактерий, обеспечит наибольший выход биогаза, полная ферментация органики пройдет за 12 дней, продукты разложения органического субстрата полностью стерильны. Отрицательные характеристики: смена температурного режима на 2 градуса за пределы приемлемого для термофильных бактерий диапазона понизит выход газа; высокая потребность в обогреве, как следствие — значительные затраты энергоносителей.

Содержимое биореактора необходимо промешивать с периодичностью 2 раза за день, иначе на его поверхности образуется корка, создающая преграду для биогаза. Помимо ее устранения промешивание позволяет выровнять температуру и уровень кислотности внутри органической массы.В биореакторах непрерывного цикла работы наибольший выход биогаза происходит при одновременной выгрузке органики, прошедшей ферментацию и загрузке объема новой органики в количестве, равном выгружаемому объему. В биореакторы небольшого объема из тех, что обычно используют в дачных хозяйствах, каждые сутки требуется извлечь и ввести органики в объеме, примерно равном 5% от внутреннего объема камеры ферментации.

Выход биогаза напрямую зависит от типа органического субстрата, закладываемого в биореактор (ниже приведены средние данные на кг веса сухого субстрата):

  1.  навоз конский дает 0,27 м3 биогаза, содержание метана 57% ;
  2. навоз КРС (крупного рогатого скота) дает 0,3 м3 биогаза, содержание метана 65%;
  3. свежий навоз КРС дает 0,05 м3 биогаза с 68% содержанием метана;
  4. куриный помет — 0,5 м3, содержание метана в нем составит 60%;
  5. свиной навоз — 0,57 м3, доля метана составит 70%;
  6. овечий навоз — 0,6 м3 с содержанием метана 70%;
  7. солома пшеницы — 0,27 м3, с 58% содержанием метана;
  8. солома кукурузы — 0,45 м3, содержание метана 58%;
  9. трава — 0,55 м3, с 70% содержанием метана;
  10. древесная листва — 0,27 м3, доля метана 58%;
  11. жир — 1,3 м3, содержание метана 88%.

 

Биогазовые установки

Эти устройства состоят из следующих основных элементов — реактор, бункер загрузки органики, отвод биогаза, бункер выгрузки ферментированной органики.

По типу конструкции биогазовые установки бывают следующих типов:

  • без обогрева и без промешивания ферментируемой органики в реакторе;
  • без обогрева, но с промешиванием органической массы;
  • с обогревом и промешиванием;
  • с обогревом, с промешиванием и с приборам, позволяющими контролировать и управлять процесс ферментации.

Биогазовая установка первого типа подходит для небольшого хозяйства и рассчитана на психрофильные бактерии: внутренний объем биореактора 1-10 м3 (переработка 50-200 кг навоза за сутки), минимальная комплектация, полученный биогаз не хранится — сразу поступает к потребляющим его бытовым приборам. Такую установку можно использовать только в южных районах, она рассчитана на внутреннюю температуру 5-20 °С.

Удаление ферментированной (сброженной) органики производится одновременно с загрузкой новой партии, отгрузка выполняется в емкость, объем которой должен быть равным или больше внутреннего объема биореактора. Содержимое емкости храниться в ней до введения в удобряемую почву. Конструкция второго типа также рассчитана на небольшое хозяйство, ее производительность несколько выше биогазовых установок первого типа — в ее оснащение входит перемешивающее устройство с ручным или механическим приводом.

Третий тип биогазовых установок оснащен помимо промешивающего устройства принудительным обогревом биореактора, водогрейный котел при этом работает на альтернативном топливе, производимом биогазовой установкой. Выработкой метана в таких установках занимаются мезофильные и термофильные бактерии, в зависимости от интенсивности обогрева и уровня температуры в реакторе.

Последний тип биогазовых установок наиболее сложен и рассчитан на нескольких потребителей биогаза, в конструкцию установок вводятся электроконтактный манометр, предохранительный клапан, водогрейный котел, компрессор (пневматическое промешивание органики), ресивер, газгольдер, газовый редуктор, отвод для загрузки биогаза в транспорт. Эти установки работают непрерывно, допускают установку любого из трех температурных режимов благодаря точно настраиваемому обогреву, отбор биогаза выполняется в автоматическом режиме.

Биогазовая установка своими руками

Теплотворность биогаза, произведенного в биогазовых установках, примерно равна 5 500 ккал/м3, что немногим ниже калорийности природного газа (7 000 ккал/м3). Для отопления 50 м2 жилого дома и использования газовой плиты с четырьмя конфорками в течение часа потребуется в среднем 4 м3 биогаза.

Предлагаемые на рынке России промышленные установки по производству биогаза стоят от 200 000 руб. — при их внешне высокой стоимости стоит отметить, что эти установки точно рассчитаны по объему загружаемого органического субстрата и на них распространяются гарантии производителей.

Если же вы предпочитаете создать биогазовую установку самостоятельно, то дальнейшая информация — для вас!

Форма биореактора

Наилучшая форма для него будет овальной (яйцеобразной), однако соорудить такой реактор крайне сложно. Более легким для конструирования будет биореактор цилиндрической формы, верхняя и нижняя части которого выполнены в виде конуса или полукруга. Реакторы квадратной или прямоугольной формы из кирпича или бетона будут малоэффективны, т.к. по углам в них со временем образуются трещины, вызванные давлением субстрата, в углах будут накапливаться затвердевшие фрагменты органики, мешающие процессу ферментации.Стальные емкости биореакторов герметичны, устойчивы к высокому давлению, их не так сложно построить. Их минус — в слабой устойчивости к ржавчине, требуется нанесение на внутренние стенки защитного покрытия, к примеру, смолы. Снаружи поверхности стального биореактора необходимо тщательно зачистить и окрасить в два слоя.

Емкости биореакторов из бетона, кирпича или камня необходимо самым тщательным образом покрыть изнутри слоем смолы, способным обеспечить их эффективную водо- и газонепроницаемость, выдерживать температуру порядка 60 °С, агрессию сероводорода и органических кислот. Помимо смолы для защиты внутренних поверхностей реактора можно использовать парафин, разбавленный 4% моторного масла (нового) или керосина и разогретый до 120-150 °С — поверхности биореактора перед нанесением на них парафинового слоя необходимо прогреть горелкой.

При создании биореактора можно воспользоваться не подверженными ржавчине емкостями из пластика, но только из жесткого пластика с достаточно прочными стенками. Мягкий пластик можно использовать только в теплый сезон, т.к. с наступлением холодов на нем будет сложно закрепить утеплитель, к тому же стенки его недостаточно прочны. Пластиковые биореакторы можно применять только для психрофильной ферментации органики.

Место размещения биореактора

Его размещение планируют в зависимости от свободного места на данном участке, достаточного удаления от жилых построек, удаленности от места размещения отходов, от мест размещения животных и т.д. Планирование наземного, полностью или частично погруженного в землю биореактора зависит от уровня грунтовых вод, удобства ввода и вывода органического субстрата в емкость реактора. Оптимальным будет размещение корпуса реактора ниже уровня земли — достигается экономия на оборудовании для введения органического субстрата в емкость реактора, существенно повышается теплоизоляция, для обеспечения которой можно применить недорогие материалы (солому, глину).

Оснащение биореактора

Емкость реактора требуется оборудовать люком, с помощью которого можно выполнять ремонтные и профилактические работы. Между корпусом биореактора и крышкой люка необходимо проложить резиновую прокладку или слой герметика. Необязательным, но крайне удобным будет оснащение биореактора датчиком температуры, внутреннего давления и уровня органического субстрата.

Теплоизоляция биореактора

Ее отсутствие не позволит эксплуатировать биогазовую установку круглый год, лишь в теплое его время. Для утепления заглубленного или полузаглубленного биореактора используется глина, солома, сухой навоз и шлак. Укладка утеплителя выполняется слоями — при установке заглубленного реактора котлован перекрывается слоем пвх-пленки, препятствующей прямому контакту теплоизоляционного материала с почвой. До установки биореактора на дно котлована с уложенной пвх-пленкой насыпается солома, поверх нее слой глины, затем выставляется биореактор. После этого все свободные участки между емкостью реактора и проложенным пвх-пленкой котлованом засыпаются соломой практически до торца емкости, поверх, 300 мм слоем засыпается слой глины вперемешку со шлаком.

Загрузка и выгрузка органического субстрата

Диаметр труб загрузки в биореактор и выгрузки из него должен быть не меньше 300 мм, иначе они забьются. Каждую из этих труб в целях сохранениях анаэробных условий внутри реактора следует оснастить винтовыми или полуоборотными задвижками. Объем бункера для подачи органики, в зависимости от типа биогазовой установки, должен быть равным суточному объему вводимого сырья. Бункер подачи следует расположить на солнечной стороне биореактора, т.к. это будет способствовать повышению температуры во вводимом органическом субстрате, ускоряя процессы ферментации. Если же биогазовая установка связана непосредственно с фермой, то бункер следует разместить под ее строением так, чтобы органический субстрат поступал в него под действием сил гравитации.

Трубопроводы загрузки и выгрузки органического субстрата следует расположить по противоположным сторонам биореактора — в этом случае вводимое сырье будет распределено равномерно, а ферментированная органика будет легко извлекаться под воздействием гравитационных сил и массы свежего субстрата. Отверстия и монтаж трубопровода под загрузку и выгрузку органики следует выполнить до монтажа биореактора на место установки и до размещения на нем слоев теплоизоляции. Герметичность внутреннего объема биореактора достигается тем, что вводы труб загрузки и выгрузки субстрата расположены под острым углом, при этом уровень жидкости внутри реактора выше точек ввода труб — гидравлический затвор блокирует доступ воздуха.

Ввод нового и вывод прошедшего ферментацию органического материала проще всего проводить по принципу перелива, т.е. подъем уровня органики внутри реактора при вводе новой порции выведет через трубу выгрузки субстрат в объеме, равном объему вводимого материала.


ПОДЕЛИТЬСЯ:

Комментариев пока нет

Перейти к разговору

Комментариев пока нет!

Вы должны быть избранным, чтобы начать разговор.

Ваши данные будут в безопасности!Ваш адрес электронной почты не будет опубликован. Также другие данные не будут переданы третьим лицам.