Описание и свойства биогаза
Биогаз образуется при анаэробном (без воздуха) метановом сбраживании биомассы. В состав смеси входит до 55–75% метана, 25–45% двуокиси углерода, различное количество примесей сероводорода, оксидов азота, аммиака и других соединений.
Свойства смеси зависят от входящих в состав компонентов:
- метан взрывоопасен и чрезвычайно горюч, не имеет цвета и запаха, потребительские свойства связаны с большим выделением теплоты при сгорании;
- углекислый газ (углекислота) при вдыхании является причиной утраты внимания и усталости, снижая уровень насыщения крови кислородом;
- сероводород в той концентрации, которая бывает в готовом продукте, не подвержен взрыву, но является токсичным для человеческого организма;
- аммиак неприятно пахнет, но в опасных количествах, способных повредить слизистые оболочки глаз и органов дыхания, в установках вырабатывается редко.
Физические свойства:
- энергетический запас 5–6,5 кВт/ч в одном кубическом метре;
- теплотворная способность до 7500 ккал/м³;
- температура воспламенения — 680–750°С;
- давление в реакторе от 0,05 атм.
Сырьё для получения биогаза
Биогазовая установка для частного дома использует в качестве сырья самые разнообразные отходы сельского хозяйства. Биогазовая станция перерабатывает:
- навоз любой фракции, птичий помёт;
- растительные остатки — сорную траву, солому, силос;
- мезгу и жом;
- пивную барду;
- некондиционные зерновые культуры;
- отходы рыбных производств;
- мелассу различного происхождения;
- остатки бойни;
- жир;
- корнеплоды, потерявшие пищевую ценность.
Методы добычи
Сырьё проходит стадию подготовки, чтобы процесс брожения шёл активнее и продуктивнее.
Навоз бывает двух видов: природный и самосплавной. Первый вид забирают из-под животного вместе с подстилкой. Самосплавной вид удаляется с фермы потоком воды.
Мезга и жом — это раздробленные части овощей, фруктов и корнеплодов, из которых отжат сок.
Пивная барда, меласса — побочный продукт пивных, сахарных заводов, являются ценной пищевой добавкой, поэтому целесообразность использования для получения газа определяется стоимостью продукции.
Растительные остатки подвергают резке или силосованию.
Силос кукурузный
На сколько хватает
Примерный выход газа из разных субстратов собран в таблицу.
| Субстрат | Влажность сырья, % | Выход биотоплива, м³ из тонны сырья |
| Навоз КРС (природный) | 85 | 55 |
| Навоз КРС (самосплавного способа удаления) | 95 | 22 |
| Навоз свиной природный | 85 | 62 |
| Навоз свиной самосплавной | 95 | 25 |
| Птичий помёт | 60–75 | 90–100 |
| Свежая трава | 50–90 | До 200 |
| Кукурузный силос | 60–90 | До 180 |
| Мезга картофельная | 90 | До 32 |
| Свекольный жом | 78 | 119 |
В следующей таблице собраны данные по количеству сырья, которое можно получить от животных и с одного гектара пашни.
| Источник | Сырьё | Количество сырья т/год | Количество биогаза м³ |
| Корова дойная | Жидкий навоз без подстилки | 20 | До 500 |
| Свинья на откорме | Жидкий навоз без подстилки | 2–6 | 40–170 |
| Бычок на откорме | Твёрдый навоз с подстилкой | 5–12 | 250–850 |
| Лошадь | Твёрдый навоз без подстилки | до 8 | 500 |
| 100 кур | Сухой помёт | 2 | 250 |
| 1 гектар пашни | Сахарная свёкла, силос кукурузы | 40–70 | 5200–10500 |
| 1 гектар пашни | Свежий силос из травы и зерновых культур | 25–50 | 5000–8000 |
Эффективность
Выгоду биогаза оценивают по преимуществам его использования и выходу тепловой или электрической энергии.
Плюсы и минусы добычи биогаза
Энергию получают из возобновляемых природных источников Используют широкий спектр сырья Универсальность биогаза для получения тепла или электрической энергии Экологичность переработки Утилизация отходов и использование отработанной биомассы для повышения плодородия сельхозземель, улучшения структуры почвы
Выработка в промышленных масштабах не всегда окупается
Сравнение с другими источниками энергии
По потребительским свойствам биогаз можно сравнить с другими источниками энергии: природным и сжиженным газом, сжатым метаном.
| Характеристика | Биогаз | Природный | Сжиженный пропан | Сжатый (метан) |
| Температура воспламенения, °С | 700 | 650 | 480 | 650 |
| Плотность, кг/м³ | 1,2 | 0,7 | 2,0 | 0,73 |
| Плотность относительно воздуха | 0,9 | 0,55 | 1,5 | 0,55 |
| Энергия сгорания кВт*ч/м³ | 2,9–5,0 | 10 | 25 | 10 |
Разновидности биогазовых установок
Их различают по внешнему виду, а также по составным элементам конструкции и используемым при создании материалам.
По типу загрузки
По типу загрузки сырья существует две разновидности установки — беспрерывной загрузки и порционной.
Они отличаются друг от друга временем сбраживания сырья и регулярностью загрузки. Самой эффективной с точки зрения получения биогаза является установка непрерывной загрузки.
По внешнему виду
Внешний вид устройства зависит от метода накопления и хранения биогаза. Он может собираться в специальном газгольдере, в верхней части реактора или под гибким куполом, плавающим или стоящим отдельно от реактора.
Принцип работы биогазовой установки
Биохимические принципы, лежащие в основе технологии производства газа, заключаются в жизнедеятельности трёх групп бактерий. Используют гидролизные, кислотообразующие и метанобразующие бактерии. Во время многоуровневой переработки вырабатывается конечный продукт — газообразная горючая смесь.
На практике применение распространение получили два вида получения биотоплива: «сухой» и «мокрый».
Мокрый
Метод получил наибольшее распространение, так как подходит для производства биотоплива из сырья с большим содержанием влаги. Так получают газ из навоза.
Сырьё насыщают водой до 90% влажности. Самосплавной навоз (удаляемый с ферм потоками воды) уже готов к переработке. В промышленных установках вещество подаётся в реакторы шнековыми транспортёрами или фекальными насосами. Резервуар утеплён, в нём постоянно происходит перемешивание биомассы.
По мере разложения вырабатывается газовая смесь, которая отводится в накопитель. Содержание серы уменьшают специальные бактерии, заселяющие стенки резервуара. После очистки топливо поступает в отделение когенерации, где происходит выработка электроэнергии газопоршневыми генераторами. В других вариантах станций газ доводится компрессорами до необходимого рабочего давления и поступает в распределительную сеть.
Часть энергии отбирается для подогрева биомассы в реакторе до 41–43°С.
Осадок удаляется по мере накопления.
В бытовых моделях система когенерации отсутствует, весь газ используется на нужды получения тепла. Загрузку и выгрузку реактора осуществляют вручную.
Сухой
Позволяет получать газ из сырья с небольшой влажностью. Разбавление водой субстрата не предусмотрено, а ферментация происходит при 50% влажности в зоне реакции.
По мере брожения жидкая фракция собирается в дренажной системе и с помощью циркуляционных насосов распыляется над полусухим субстратом. Перемешивание и переворачивание не происходит, что снижает энергозатраты на производство.
Брожение проходит при температуре 34–37°С. Внешний подогрев минимальный, тепло выделяется в процессе химических реакций органического сырья.
Как сделать биогазовую установку своими руками?
Процесс создания биогазовой установки своими руками достаточно трудоемкий, но возможный. Такая установка поможет сохранить ваши деньги: теперь покупать топливо и электроэнергию вам не нужно, вы сами будете ее производить.
Воссоздать будущую установку можно и из подручных средств. Так, например, реактор будущей установки можно сделать из старых кастрюль, тазов, выварок. Лучше всего выбирать предметы цилиндрической формы.
Главные требования, которым должен соответствовать любой реактор:
- гидро и воздухонепроницаемость. В случае, если биогаз и обычный воздух смешаются, пойдет реакция, сила которой запросто может в лучшем случае сломать реактор, а в худшем – взорвать его;
- отличная теплоизоляция;
- быть прочным и надежным, ведь в процессе реакции выделяется огромное количество энергии.
Вас интересует обшивка дома сайдингом своими руками?
Статью о строительстве стропил для крыши можете найти здесь.
Ремонт микроволновки это возможно: https://smasterim.com/elektronika/el-remont/mikrovolnovki.html
Чтобы построить хорошую биоустановку, нужно придерживаться следующей поочередности:
- выберите место для будущего ректора и рассчитайте суточную норму отходов, чтобы определиться с размером реактора;
- подготовьте котловину и проделайте монтаж выгрузочной и загрузочной труб;
- установите и прочно закрепите загрузочный бункер и газоотводную трубу;
- для использования, обслуживания и ремонта установки установите крышку люка;
- хорошенько проверьте реактор на герметичность и теплоизоляцию;
Лучше всего стенки будущей установки делайте из бетона, так как прочность вашего реактора – залог безопасности.
Также, важно, чтобы расстояние до ближайшей жилой постройки было не меньше 500 метров. Такая мера связана с тем, что при процессе брожения выделяется ядовитый газ, который за считанные минуты может убить человека. Следует помнить, что биогаз – это взрывоопасный продукт, и в случае взрыва он снесет все в радиусе 200-300 метров
Следует помнить, что биогаз – это взрывоопасный продукт, и в случае взрыва он снесет все в радиусе 200-300 метров.
Для получения самого биогаза, вам нужно:
- cмешать около 2 тонн коровьего навоза и 4,5 тонны перегноя в виде сгнившей листвы, ботвы, отходов.
- добавить воды, чтобы влажность в реакторе была на отметке 60-70% влажности;
- рагрузить полученную массу в яму и с помощью нагревательной установки (змеевика) разогреть до 35-40 градусов. После этого смесь сама начнет бродить и в анаэробной среде сама разогреется до 70 градусов;
- прикрепите к куполу противовес, вес которого должен быть в 1,5-2 раза больше самой смеси, проводиться это для тог, чтобы купол в процессе реакции не слетел с ямы.
5,5-6 тонн смеси биогазовой установке хватит на полгода работы.
Помните, что в массе, которую вы загружаете в реактор, не должно быть антибиотиков, красителей, растворителей и других синтетических веществ. В противном случае они не только помешают всей реакции и остановят ее, но и испортят стенки вашего реактора.
Как можно отметить, принцип работы биогазовой установки очень прост. Проще говоря, в яму устанавливают герметичный резервуар, куда складывают сырье для переработки. Загрузив их, остается только ждать, пока микроорганизмы, именно они обеспечивают протекание всего процесса, разложат массу , и только после этого вы сможете собирать готовый газ.
Отбродившему сырью также можно найти применение. Его вы запросто можете использовать в сельском хозяйстве как удобрение.
После того, как выработался газ, он остается в реакторе, когда масса по выгрузочной трубе удаляется из реактора
Очень важно, чтобы объем емкости временного хранения был не меньше реактора
Биогазовая установка для частного дома
В связи с тем, что в личном подсобном хозяйстве, количество образующихся органических отходов и продуктов деревообработки и переработки сельскохозяйственных культур, ограничено, то в качестве основного и единственного источника энергии, вне зависимости от направленности (тепловая, электрическая, газ), биогазовые установки рассматривать не целесообразно.
К тому же, необходимо учитывать, что при работе подобных устройств, выделяется целая группа прочих газов (сероводород, аммиак и т.д.), которым свойственен специфический неприятный запах, что требует выполнять монтаж установки на некотором удалении от жилых помещений.
Конструктивно, подобная установка может выглядеть следующим образом:
- Главный элемент — это реактор, в качестве которого выступает емкость, соответствующая объемами сырья. Емкость может быть установлена в различном исполнении (подземная, наземная и частично заглубленная конструкция).
- В емкости должны быть предусмотрены загрузочный люк, отводная труба или штуцер для отвода газа, люк для удаления переработанного сырья (может совмещаться с загрузочным) и механизм перемешивания, при необходимости. Монтируемые узлы и элементы должны герметично закрываться и держать определенное давление.
- К штуцеру отводной трубы подсоединяется отводящий трубопровод, на котором устанавливается запорный вентиль и манометр, для контроля за давлением получаемого газа.
- При необходимости, может быть установлен электрический привод на мешалке установки, а также насос и транспортер в системах подачи сырья.
Конструкция типичной биогазовой установки
Агрегат состоит из нескольких технологических узлов.
Реактор
Представляет собой обитую теплоизоляцией цельную железобетонную емкость с несколькими технологическими отверстиями. Реактор должен герметично закрываться, чтобы воздух не попадал в его внутреннее пространство.
Система подачи биомассы
Для загрузки сырья установка оснащается бункером. Отходы подаются сюда вручную или с помощью транспортера.
Также к реактору подводится труба с горячей водой.
Мешалки
Лопатки для перемешивания закреплены на вертикальном валу, хвостовик которого выходит наружу через уплотненное отверстие в крышке реактора.
Устройство приводится в движение электродвигателем посредством зубчатого редуктора.
Включение электродвигателя может производиться вручную или автоматически.
Автоматизированная система подогрева
Обогрев устанавливается в нижней части реактора. Теплоносителем могут служить вода или электричество. Включение нагревательных элементов осуществляется термостатом, настроенным на определенную температуру.
Сепаратор
Как было сказано выше, биогаз представляет собой смесь различных газов. Сепаратор позволяет отделить метан от примесей для последующей подачи к потребителю.
Дополнительное оборудование
К дополнительному оборудованию, без которого невозможна работа биореактора, относят:
- измельчающее устройство;
- источник тепловой энергии;
- систему сброса технической воды;
- хранилище сапропеля;
- очистную установку;
- основной газгольдер;
- установку сжижения газа;
- газгольдер для сжиженного газа;
- управляющую систему.
Измельчающее устройство
Измельчающее устройство принимает поступающую с мест содержания животных/птиц навозную/пометную жижу, а также смытую или убранную вручную подстилку и измельчает все крупные фрагменты, чтобы облегчить работу бактерий. Кроме того, измельчающее устройство смешивает измельченную массу с водой, чтобы обеспечить необходимый уровень влажности, причем во время смешивания происходит доизмельчение материала.
Такой измельченный и разведенный водой материал называют субстратом.
После подготовки субстрат по трубам поступает в метантенк и смешивается с находящимся в нем веществом.
Источник тепловой энергии
Чаще всего роль такого источника исполняет адаптированный для работы на метане газовый котел, который в зимнее время также снабжает теплом систему отопления.
При этом необходимо постоянно отслеживать температуру внутри биореактора, чтобы она все время находилась в оптимальных пределах и, при необходимости, увеличивать или снижать подачу газа, для чего внутри емкости устанавливают датчики температуры.
Система сброса технической воды
Сливаемая с биореактора техническая вода содержит немного органических и неорганических веществ, но в ней нет ни возбудителей болезней, ни яиц или личинок глистов, а также семян сорняков. Поэтому ее можно использовать для полива, а также для разведения составов, используемых для подкормки.
Для реализации всех этих возможностей система, помимо периодически открываемого сливного клапана, должна содержать емкость для технической воды и средства доставки к месту использования.
Хранилище сапропеля
Скапливающийся на дне метантенка сапропель через специальный клапан поступает в хранилище, где постепенно накапливается. Он является хорошим удобрением, сопоставимым с перегноем, однако менее качественно разрыхляющим почву.
Тем не менее, сапропель эффективно заменяет многие комплексные удобрения, ведь содержит широкий спектр органических и неорганических веществ.
После заполнения хранилище открывают и извлекают из него собранный материал, который затем вносят в почву.
Очистное устройство
Биогаз состоит из метана (50–60%) и других газов, поэтому в неочищенном состоянии обладает малой теплотворной способностью.
Такой очищенный биогаз по своей теплотворной способности сопоставим с природным и сжиженным газом, поэтому его можно использовать в качестве топлива для любых устройств, изначально работающих на указанных видах топлива.
Основной газгольдер
Это оборудование необходимо для сглаживания перепадов давления газа во время подключения или отключения потребителей. Газгольдер изготавливают из стали, благодаря чему он выдерживает давление в десятки или сотни атмосфер.
Вместе с газгольдером работает и насос, закачивающий в него газ под необходимым давлением.
Аппарат сжижения газа и газгольдер для его хранения
Эта установка позволяет запасать газ в те периоды, когда потребление меньше производства. Дело в том, что сжиженный газ занимает гораздо меньше места, поэтому при одинаковом объеме хранилища его можно запасти заметно больше.
Аппарат сжижает газ с помощью охлаждения, благодаря чему он переходит из газообразного в жидкое состояние. Газгольдер для сжиженного газа изготавливают из высокопрочной стали, а также тщательно утепляют, ведь давление внутри газгольдера зависит не только от количества сжиженного метана, но и от его температуры.
Такой газгольдер позволяет в летние месяцы делать запас сжиженного метана, который зимой можно будет использовать для отопления или других нужд, компенсируя им недостаточную выработку биогаза. Кроме того, сжиженный газ из газгольдера хорошо подходит для заправки автомобилей и иной техники, работающей на таком виде топлива.
Управляющая система
Для обеспечения максимальной выработки биогаза, а также для увеличения доли метана в нем необходимо не только поддерживать оптимальную температуру, но и своевременно выполнять все необходимые действия, то есть:
- подавать субстрат;
- отводить воду;
- удалять сапропель;
- регулировать работу очистной и сжижающей установок.
Кроме того, к ней подключены датчики, отслеживающие состояние и работоспособность всех входящих в нее устройств.
Рентабельно ли делать реактор и пользоваться биогазом
Строительство биогазовой установки преследует следующие цели:
- производство дешевой энергии;
- выработка легкоусваиваемых удобрений;
- экономия на подключении к дорогостоящей канализации;
- переработка отходов хозяйства;
- возможная прибыль от продажи газа;
- снижение интенсивности неприятного запаха и улучшение экологической обстановки на территории.
График рентабельности выработки и использования биогаза
Для оценки выгоды строительства биореактора рачительному хозяину следует учесть следующие аспекты:
- затраты на биоустановку относятся к долгосрочным капиталовложениям;
- самодельное биогазовое оборудование и установка реактора без привлечения сторонних специалистов обойдется гораздо дешевле, но и его эффективность ниже, чем у дорогого заводского;
- для поддержания стабильного давления газа, у фермера должен быть доступ к отходам животноводческого производства в достаточном количестве и на длительный срок. В случае высоких цен на электроэнергию и природный газ или отсутствие возможности газификации, использование установки становится не только выгодным, но и необходимым;
- для крупных хозяйств с собственной сырьевой базой, выгодным решением будет включение биореактора в систему теплиц и ферм КРС;
- для небольших ферм повысить эффективность можно путем монтажа нескольких небольших реакторов и загружать сырье в разные промежутки времени. Это позволит избежать перебоев с газом при недостатке исходного сырья.
Специфика получения биогаза
Биогаз образуется в результате брожения биологического субстрата. Его разлагают гидролизные, кислото- и метанообразующие бактерии. Смесь вырабатываемых бактериями газов получается горючей, т.к. содержит большой процент метана.
По своим свойствам она практически не отличается от природного газа, который используется для промышленных и бытовых нужд.
При желании каждый владелец дома может приобрести биогазовую установку промышленного изготовления, но это дорого, а окупаются вложения в течение 7-10 лет. Поэтому имеет смысл приложить усилия и сделать биореактор своими руками
Биогаз – экологически чистое топливо, а технология его получения не оказывает особого влияния на окружающую среду. Более того, в качестве сырья для биогаза используют отходы жизнедеятельности, которые нуждаются в утилизации. Их помещают в биореактор, где происходит переработка:
- В течение некоторого времени биомасса подвергается воздействию бактерий. Срок брожения зависит от объема сырья.
- В результате деятельности анаэробных бактерий выделяется горючая смесь газов, в состав которой входят метан (60%), углекислый газ (35%) и некоторые другие газы (5%). Также при брожении в небольших количествах выделяется потенциально опасный сероводород. Он ядовит, поэтому крайне нежелательно, чтобы люди подвергались его воздействию.
- Смесь газов из биореактора очищается и поступает в газгольдер, где хранится до момента использования по назначению.
- Газ из газгольдера можно использовать точно так же, как природный. Он поступает к бытовым приборам – газовым печам, отопительным котлам и т.п.
- Разложившуюся биомассу необходимо регулярно удалять из ферментатора. Это дополнительные трудозатраты, однако усилия окупаются. После брожения сырье превращается в высококачественное удобрение, которое используют на полях и огородах.
Биогазовая установка выгодна для владельца частного дома только в том случае, если у него есть постоянный доступ к отходам животноводческих ферм. В среднем из 1 м.куб. субстрата можно получить 70-80 м.куб. биогаза, но выработка газа идет неравномерно и зависит от многих факторов, в т.ч. температуры биомассы. Это осложняет расчеты.
Биогазовые установки идеально подходят для фермерских хозяйств. Отходы жизнедеятельности животных способны дать достаточно газа для полноценного обогрева жилых помещений и хозяйственных построек (+)
Чтобы процесс получения газа был стабильным и непрерывным, лучше всего строить несколько биогазовых установок, а субстрат в ферментаторы закладывать с разницей во времени. Такие установки работают параллельно, а сырье в них загружают последовательно. Это гарантирует постоянную выработку газа, благодаря чему можно добиться его непрерывного поступления к бытовым приборам.
В идеале биореактор должен подогреваться. Каждые 10 градусов тепла увеличивают выработку газа вдвое. Хотя обустройство подогрева требует вложений, это окупается большей эффективностью конструкции (+)
Самодельное биогазовое оборудование, собранное из подручных материалов, обходится гораздо дешевле установок промышленного производства. Его эффективность ниже, но вполне соответствует вложенным средствам. Если есть доступ к навозу и желание приложить собственные усилия для сборки и обслуживания конструкции, это очень выгодно.
Из чего можно добыть газ
Основной горючей и полезной составляющей биологического синего топлива считается метан, который является продуктом жизнедеятельности микроорганизмов. Поэтому для добычи биогаза потребуется питательная масса, в которой бактерии смогут размножаться. В качестве сырья можно использовать:
- отходы растительного происхождения;
- сточные воды;
- птичий или животный навоз.
В случае выбора любого сырья коэффициент и скорость получения газа будут разниться. Измельченная растительность долго перегнивает и дает небольшое количество биогаза, сточные воды больше подходят для разбавления основной массы, а вот экскременты способны давать горючий газ уже на второй день после начала использования.
