Технология производства биогаза: виды, плюсы и минусы

Термином биогаз обозначают конечный газообразный продукт, получаемый в процессе анаэробного (без доступа воздуха) брожения биологических масс. Существует несколько способов как сделать газ из навоза. Распад биологической смеси происходит в результате ее переработки микроорганизмами, проявляющими активность в герметичной среде. Существует промышленное производство биогаза и самодельное, кустарное. Процесс брожения проходит в специальных реакторах – метантанках.

Состав биогаза

Биогаз из навоза – сложный по компонентам горючий газ. В зависимости от исходного сырья его качественный состав меняется:

• содержание метана составляет от 60 до 70%;
• двуокиси углерода – от 30 до 40%;
• оставшуюся часть занимают сероводород, азот, незначительные примеси водорода, аммиака, воды.

После очистки биогаза от сопутствующих ингредиентов получают чистый биометан – аналог одноименного природного газа. Однако без очистки этот газ представляет серьезную опасность для экологии. Технология очистки – сложный и дорогой процесс. При этом использование очищенного продукта для выработки электроэнергии и заправки автомобилей не приносит большой выгоды.

Варианты сырья для его получения

Для выработки биогаза используют сельскохозяйственные отходы животноводства и птицеводства (навоз и куриный помет).

Можно использовать отходы:

• растениеводства;
• рыбных, мясоперерабатывающих, молочных заводов;
• органические остатки в домашнем хозяйстве;
• фекалии.

Преимущества и недостатки данного метода переработки отходов

Плюсы:

• Исходный материал является дешевым побочным продуктом сельскохозяйственных предприятий и ферм. Массы навоза постоянно восполняются и практически неисчерпаемы.
• Биогазовые агрегаты можно монтировать в непосредственной близости от источников сырья.
• Снижается уровень безработицы – требуются водители, машинисты установок, подсобные рабочие и другой персонал.
• Падает потребление энергии, получаемой традиционными способами. Биогаз в России используется для отопления производственных помещений, нагрева воды для хозяйственных нужд. Энергия от сжигания биогаза преобразуется в электрическую энергию. Утилизация метана как газового топлива для автомобилей.
• Особую важность имеет природоохранная составляющая данного бизнеса. Уничтожаются огромные залежи экскрементов от коров, свиней, овец, лошадей, птиц, загрязняющие почву, атмосферу, подземные и надземные источники воды.

Минусы:

• Для промышленного производства биогаза в больших объемах недостаточно одного поставщика исходного материала, нужно договариваться с целым рядом заготовителей и налаживать транспортные потоки.

• Статистические данные свидетельствуют об убыточности подобных производств. Они окупаются только с помощью государственной поддержки через «зеленые тарифы».

• Выработка горючего газа и его хранение в емкостях, транспортировка по газопроводам является взрывоопасным и пожароопасным процессом. Метан характеризуется высокой токсичностью. На предприятиях требуется усиленный контроль соблюдения техники безопасности и правил обращения с опасными продуктами.

Лучше использовать биореакторы заводского изготовления, а установку доверить специалистам, имеющим достаточный опыт их монтажа.

Технология получения биогаза

1. Сначала идет подготовка исходного субстрата (смешивание, измельчение, добавление химических и биологических добавок) и подача в герметичные резервуары.
2. Переработку жидкой субстанции проводят метановые бактерии, способные обходится без поступления воздуха и кислорода. Для продуктивной работы микроорганизмов необходимо обеспечить нужный температурный режим. Главным продуктом их жизнедеятельности в приготовленной среде будет горючий газ метан. Он поднимается вверх и отводится по специальным трубам, не допускающим попадания воздуха в емкости с биомассой.
3. Для сбора выходящего газа используются газгольдеры из эластичного материала, способного растягиваться без потери прочности. Отработанный субстрат навоза (дигестат) периодически извлекается из реактора и применяется как удобрение на полях.

Крупное производство биогаза в Германии

Необходимый температурный режим

Производство биогаза из навоза требует поддержания внутри реактора постоянной температуры 41-43 градуса и создания мезофильного процесса ферментации биомассы. Внутри метантанка монтируются трубчатые нагреватели. Для предотвращения температурных потерь стены и трубопроводы укрываются эффективными теплоизолирующими материалами.

Подготовка сырья

Переработка навоза в биогаз начинается с подготовки исходного субстрата. Это позволяет ускорить разложение сырья и увеличить скорость генерации газа. Нужные бактерии и микроорганизмы уже содержатся в экскрементах и обогащение ими биомассы не требуется. При наличии нескольких субстанций их предварительная обработка (измельчение, гомогенизация, подогрев) проходит раздельно. Затем они смешиваются перед отправкой в биореакторы или подаются в рабочую зону отдельными потоками.

Норматив влажности раствора не менее 90%, поэтому перед заполнением емкостей сухие фекалии животных смешивают с водой. Консистенция навоза должна быть однородной, для этого смесь гомогенизируют. Постоянно размешивают внутри ферментера, предотвращая образование сухих корок.

Загрузка и обслуживание реактора

Обогащенным навозным раствором заполняют резервуары, устанавливаемые поблизости от метантанков. В них готовая смесь подогревается и перемешивается для равномерного распределения тепла по всему объему. В устройствах для подачи твердого сырья могут накапливаться твердые компоненты. Подача компоста в ферментатор проходит по определенному регламенту.

Биогазовая установка предусматривает два способа загрузки реактора:

• включается насос для перекачки жидкой субстанции и одновременно подается твердая масса;
• жидкая фракция добавляется к твердой субстанции, обе перемешиваются и одним потоком отправляются в биореактор.

Время подачи контролируется и не бывает продолжительным.

Параллельно работают насосы, удаляющие отработанные объемы сырья в накопительные лагуны.

Очистка газа от примесей

Каждая примесь удаляется с помощью присущего только ей способа и оборудования. Сероводородные включения адсорбируются изоляционными материалами на отводящих трубах. Удаление углекислого газа основано на его способности вступать в реакцию с водой, образуя угольную кислоту. Биогаз под высоким давлением пропускают через емкости с водой. Параллельно с влагой уходят и другие сопутствующие соединения. Правильная технология очистки увеличивает концентрацию метана до показателя 90- 98 процентов. Получаемый газ становится конкурентоспособным топливом.

Уменьшение содержания влаги

Для удаления избытка влаги применяют конденсационный метод. Полученный горячий газ пропускают через холодный трубопровод. Пары воды оседают каплями на его стенках и отводятся по трубкам в предусмотренные для этого места.

Установки для получения биогаза

Для выработки газа в непосредственной близости от сельхозпредприятий подойдет сборно-разборная биогазовая установка. Биореактор – это основной агрегат БГУ. В него закачивается навозная субстанция, и в нем происходит процесс ее разложения.

Большие производства используют в качестве ферментеров металлические, пластиковые цистерны большой емкости. В небольших частных предприятиях сооружают подземные реакторы объемом до 50 куб.м. Резервуар заглубляют в землю, облицовывают кирпичом, герметизируют цементным раствором.

Автоматизация процесса значительно увеличивает КПД установки для производства биогаза. Монтируются линии, полностью работающие без применения ручного труда.

На мини-заводах кроме людских ресурсов широко применяется современное электрооборудование: измельчители, насосы, мешалки.

Российский производитель компания «Биокомплекс» занимается проектированием и строительством комплексов для переработки отходов животноводческих предприятий. В «Биокомплексе» можно приобрести экономически выгодное готовое оборудование:

• полноразмерные БГУ мощностью от 0,5 мВт до 5 мВт и больше;
• быстровозводимые мобильные БГУ от 75 до 120 кВт.

Обязательные элементы конструкции

Биогазовая установка состоит из следующих конструктивных элементов:

• участка приема и предварительной подготовки биологической навозной массы;
• системы транспортеров в границах комплекса;
• ферментаторов для сбраживания субстрата;
• трубопроводов отвода биогаза;
• оборудования для очистки газообразного продукта;
• накопителей для газа и дигестата;
• автоматизированной системы управления и поэтапного контроля за биогазовым процессом на всех этапах.

Принцип работы устройства

Технологический процесс на БГУ начинается с приема и создания жидкой биологической смеси, которая поступает в основной герметически закрытый блок переработки. Там при поддержании постоянной температуры и кислой среды бактерии преобразуют исходный субстрат в газовую смесь и полезное натуральное удобрение. Биогаз поступает в накопители-газгольдеры с предохранительным клапаном от переполнения.

Условия для эффективной работы

Установка по производству биогаза будет работать с полной отдачей при следующих условиях:

• воздухонепроницаемости биореактора;
• постоянной температуры сбраживаемой массы;
• влажной консистенции субстрата;
• достаточного уровня гомогенизации;
• нужного показателя кислотности среды;
• наличия катализаторов или замедлителей процесса ферментации;
• равномерного прогрева и непрерывного перемешивания навозной жижи;
• своевременного удаления отработанного сырья.

Расчет выхода газа в годовой период

• Одна корова дает 20 тн жидкого навоза – выход биогаза 500 куб.м.
• 1 свинья производит 1,5-6 тн жидкого навоза – количество газа 42-168 куб.м.
• 1 бычок поставляет 3-11 тн твердого сырья – 240- 880 куб.м. газового продукта.
• 1 лошадь сделает 8 тн твердого навоза – 504 куб. м. биотоплива.
• 100 кур обеспечат 1, 8 тн сухого помета – 252 куб.м. биогаза.

Использование полученного при переработке шлама

Побочный продукт при производстве биогаза из навоза – дигестат или шлам. Полученное удобрение не имеет запаха, семян сорняков, вредных токсинов и микроорганизмов. Само удобрение обогащают фосфором, калием и прочими элементами в зависимости от потребности растений. Однако шлам не является чистым удобрением, применимым для сельского хозяйства.

Делаем самодельную установку

Биогазовая установка может быть смонтирована на собственном земельном участке в деревне или на даче. Главное, чтобы территория была достаточно просторной, а выработка газа безопасной для окружающих людей и животных. Поблизости выбирают место для складирования отходов. Не мешает выполнить предварительные расчеты производительности линии с учетом наличия исходного сырья. Наиболее подходящий для дома вариант получения биогаза из навоза – устройство подземного метантанка из керамического кирпича.

Для усиления монолитности кирпичных стен их армируют металлической сеткой. Внутри и снаружи обмазывают надежными гидроизоляционными и газонепроницаемыми составами. Это делается для обеспечения герметичности емкости – главного условия работы реактора.

Получение разрешительной документации

Работа биогазовой установки, сделанной своими руками, связана с использованием токсичных веществ и получением взрывоопасных газовых смесей. Поэтому для эксплуатации линии по утилизации навоза нужно получить лицензию. Если газ предполагается использовать для собственных нужд, разрешение не требуется. Если агрегат будет работать на покупном навозе, наличие разрешения обязательно.

Необходимые инструменты и материалы

От емкости подземного ферментатора зависят размеры котлована. Его можно выкопать вручную лопатой при небольших объемах или воспользоваться механизированной техникой.

Для кирпичной кладки, изготовления бетонного основания потребуются инструменты:

• бетономешалка, при ее отсутствии емкость для замеса раствора или бетона, дрель с насадкой для перемешивания растворной смеси;
• мастерок, лопата, шпатель;
• измерительные инструменты.
• баллоны для хранения собранного газа.

Домашние биогазовые установки собираются с применением следующих материалов:

• керамический кирпич, цемент, песок, щебень, вода, арматурная сетка;
• пластифицирующие добавки в раствор и штукатурку;
• крепежные элементы, металлические и пластиковые трубы;
• водяной затвор, емкость для очистки газа.

Подготовка ямы для биореактора

В первую очередь нужно рассчитать габариты подземного резервуара, зависящие от ежедневного пополнения запасов навоза. Как уже говорилось выше, реактор заполняется биомассой на две трети объема. Следует принимать во внимание тип сырья, температуру, и временной цикл брожения.

В хозяйстве имеется 6 коров, 11 свиней и 50 кур. За сутки они обеспечат запасы.

• 6 коров х 55кг = 330 кг.
• 11 свиней х 4,5 кг = 49,5 кг.
• 50 кур. Х 0,17 кг = 8,5 кг.
• Всего 330 + 49,5 + 8,5 = 388 кг.

Влажность навоза от коров и свиней соответствует норме 86 %. Влажность куриного помета 75%, для ее доведения до 85 % нужно добавить к помету 6 литров воды. Общий вес сырья составит 388 + 6 = 394 кг.

Продолжительность цикла разложения при мезофильном температурном режиме составляет от 10 до 20 суток. В данном случае 18 дней.

Объем экскрементов за 18 дней – 394 х 18 = 7092 кг или 7,1 м³. С учетом правил загрузки реактора его объем составит 1,5 х 7,1 = 10,7 куб.м

Процедура подготовки ямы:

1. Перед проведением земельных работ уточняют: не станут ли угрожать будущему строению грунтовые воды. Проверяют отсутствие на месте рытья подземных коммуникаций.
2. После того, как вырыт котлован нужного размера, его объем изолируют ПВХ пленкой.
3. Готовят основание под реактор из армированного керамзитобетона.
4. Далее работы ведут по схеме или чертежу камеры для получения биогаза в домашних условиях.
5. С противоположных сторон ямы прокладывают наклонные трубопроводы для подачи навозной жижи и выхода отработанного субстрата. Для свободного движения продуктов диаметр труб должен быть не менее 30 см.
6. Выходной коллектор располагают у самого дна емкости. Откачка отработанной смеси идет через компенсатор прямоугольной формы. Его верх должен быть ниже уровня входного отверстия в приемном бункере.
7. Рукав для подачи биомассы входит в стену камеры на высоте 0,5 м от днища. Отверстия в стене, через которые проходят трубы тщательно замоноличивают.
8. Следующий этап – возведение стен из кирпича на цементном растворе. Штукатурка поверхностей специальными составами для гарантии герметичности емкости. Не забывают о теплоизоляции по наружному периметру стен.

Монтаж газового дренажа

Дорогостоящую электрическую мешалку в установке можно заменить пластиковыми перфорированными дренажными трубами по принципу барботажа. Газ выходит из жидкости с помощью многочисленных маленьких дырочек (4-5 мм) в дренажных колонках. Просверлить отверстия можно дома своими руками. Верхний торец дренажных труб поднимают выше уровня субстрата. Под давлением газ движется то вверх, то вниз, перемешивая навозную жижу и предохраняя ее от высыхания.

Установка купола и труб

Кустарная установка для получения биогаза работает по своей технологии:

• От загрузочного отсека в реактор поступает порция навозной субстанции.
• Одновременно по отводному рукаву в приемник выходит такой же объем переработанных отходов.
• Образующийся биогаз по отводной трубе поступает в хранилище. В газовой отрасли оно называется газгольдер и имеет множество модификаций. В кустарном агрегате газгольдер монтируется на крыше биореактора в виде металлического конуса, защищенного от ржавчины масляной окраской в несколько слоев. Можно выложить купол из кирпича, оштукатурив его по металлической сетке.
• В масштабном производстве газгольдерами работают отдельно стоящие объемные цистерны. Удобны газгольдеры в виде мешков из ПВХ. Мягкая емкость, наполняясь газом, раздувается, материал при этом не теряет прочности.
• В верхней части газгольдера предусматривают герметичный люк, устанавливают трубу для отвода скапливающегося газа. На пути газа монтируют предохранительный клапан для сброса излишнего давления и гидрозатвор для избавления от примесей.

Варианты подогрева биореактора

Подогрев биологической смеси до комфортной температуры повышает эффективность деятельности микроорганизмов. Увеличивает выход газа и удобрения.

Нагрев внутреннего содержимого ферментационной камеры можно осуществить горячим теплоносителем от домашнего котла отопления. Биосмесь будет обогреваться нагретой водой, проходящей через трубчатые нагреватели внутри реактора. Часть добытого своими руками биогаза будет использоваться в качестве горючего для отопительного котла.

Меры безопасности

Биогазовые установки требуют неукоснительного соблюдения правил техники безопасности, принятых в газовой отрасли. Одно из главных требований защищенности людей и производства – правильная эксплуатация комплекса по выработке газа для собственных нужд. Другие требования:

• четкая программа загрузки и выгрузки;
• постоянное перемешивание биомассы;
• подогрев в холодный период;
• отсутствие в исходном сырье вредных для микроорганизмов химикатов;
• учет взрывоопасности и токсичности биогаза.

Меры предосторожности:

• вентиляция помещения, где размещен реактор;
• заземление реактора, хранилищ и трубопроводов для защиты от попадания молнии и образования статических электрических зарядов.
• отсутствие источников открытого огня в радиусе 5 метров от стенок газгольдера;
• установка на территории комплекса щита с противопожарным инвентарем, вывеска предупреждающих надписей об опасности, запас воды;
• проведение регулярного инструктажа работников по технике безопасности;
• установка датчиков, манометров, предохранительных клапанов, гидрозатвора для контроля за давлением газа;
• утечки газа обнаруживать только с помощью мыльной пены;
• нижний предел эксплуатации линии + 5 градусов;
• перед ремонтными работами внутри реактора проверять содержание газа;
• не пользоваться стальными инструментами, во избежание искрения;
• не пользоваться спецодеждой из синтетики.

Сферы применения биогаза

Экономический эффект работы станции по выработке газа оценивается комплексным использованием всех получаемых продуктов. Промышленный комплекс или биогазовая установка для частного дома решает актуальную задачу утилизации биологических отходов, загрязняющих природу и среду обитания человека.

Области использования газа:

• получение электрической энергии: сгорание 1 кубометра газа дает 2 кВт электричества;
• отопление и обеспечение горячей водой производственных сельскохозяйственных помещений – ферм, теплиц, птицефабрик;
• заправка автомобильного транспорта и другой техники;
• топливо для работы газопоршневых агрегатов мини-ТЭЦ.

Мобильные сборно-разборные линии переработки животноводческих отходов используются как очистные сооружения на соответствующих предприятиях.