Что такое биогаз. Биогаз — что это такое

10.1. Общие сведения о получении биогаза

В последнее десятилетие большое внимание уделено развитию в нашей стране использованию нетрадиционых и возобносляемых источников энергии в связи с дефицитом собственных топливно-энергетических ресурсов. Одним из нетрадиционных и возобновляемых источников энергии может служить энергия получаемая из биомассы. Именно полученый в хозяйствах республики биогаз и выработка энергии из него позволит экономить природные н сжиженные газы.

Все источники биомассы можно разделить на три основные группы:

к первой группе относятся специально выращенные для энергетических целей наземные растения. Наибольшее значение имеют лесоводческие энергетические хозяйства для выращивания различных пород деревьев: быстрорастущая порода ивы (разработка белорусских ученых), эбеновое дерево, эвкалипт, пальма, гибридный тополь и др. Одним из перспективных энергетических культур является является земляная груша (топинамбур), сладкое сорго, сахарный тростник.

Ко второй группе источников биомассыотносится различные органические остатки и отходы:

а) биологические отходы животных (навоз крупного рогатого скота, помёт домашней птицы и др.);

б) остатки от сбора урожая сельскохозяйственных культур и побочные продукты их переработки, такие как солома ржи и пшеницы, кочерыжка кукурузного початка, стебель хлопка, скорлупа земляного ореха, отходы картофеля, рисовая шелуха и солома, лузга семечек, костра льна и др.;

в) отходы лесозаготовок, лесопиления и деревообработки: кора, опилки, древесные щепки, стружки;

г) промышленные сточные воды (в частности, текстильных, молочных, а так же других предприятий по переработке пищевых продуктов);

д) городские отходы (твёрдые и сточные воды).

Третья группа – это водные растения, в том числе морские водоросли, среди которых гигантские ламинарии (бурые водоросли), водяной гиацинт. Океан рассматривается как основной поставщик крупных морских бурых водорослей и водорослей обитающих на дне (бентические растения), а так же водорослей плавающих в стоячей воде. Кроме того анализируется возможность использования биомассы эстуарий солёных и пресноводных болот.

Энергетический потенциал водных растений довольно высок. Так, например свежие морские водоросли 29,2 т.н.э/га/год; водяной гиацинт -53,6 т.н.э/га/год, а сахарный тростник 40,0 т.н.э/га/год /21/, /26/.

В зависимости от влажности и степени биоразлагаемости биомасса перерабатывается термохимическими методами (прямое сжигание, газификация, пиролиз, ожижение) или биологическиеми (анаэробная переработка, этапольная ферментация). С их помощью, из биомассы можно получить различные конечные энергетические продукты, включая тепло, пар, низко- и высококалорийные газы и различные жидкие топлива. Одним из самых широко используемых методов переработки биомассы остаётся прямое сжигание с целью получения тепла или электроэнергии. Наиболее перспективным процессом превращения биомассы являются термохимическая газификация, ферментация и анаэробная переработка, в результате которых получают синтез-газ (метан). Для Беларуси перспективным может стать развитие биоэнергетики на основе обновляемого энергетического ресурса, такого как древесина. Сюда можно отнести и выращивание быстрорастущих сортов древесины. В Беларуси уже ведутся исследования по выращиванию энергетических плантаций канадской ивы и сахалинского горца Вейриха. Эти деревья способны обновляться в течении 25 лет, а обрубку и сбор топлива проводят через 3 года, причём один гектар плантации способен дать в среднем 20 м3 древесины. Так же изучаются возможности выращивания и целесообразности выращивания в наших климатических условиях сахалинского бамбука и Сильвии широколистной. Разрабатывается и получает широкое применение технология сжигания древесных гранул.

10.2. Получении биогаза при анаэробном сбраживании

Одним из способов получения биогаза является способ анаэробного (без доступа кислорода), сбраживании или ферментации (перепревании) органических веществ биологической массы самого различного происхождения при температуре 30÷370 °С, а так же при постоянном перемешивании загруженного сырья, переодической загрузке исходного сырья в ёмкость для ферментации и выгрузке сброженного материала /17, с.357-364/. Емкость, в которой происходит процесс сбраживания, называется метантенком или реактором . При соблюдении всех оговоренных выше условий под действием имеющихся в биомассе бактерий органические вещества разлагаются и образуют смесь газов, которая называется биогаз .Для получения биогаза могут быть использованы отходы обработки сельскохозяйственных культур - силос, солома, пищевые и другие отходы ферм, навоз, птичий помёт, сточных вод и тому подобное сырьё содержащее органические вещества. Важно, чтобы среда сырья была нейтральной, без веществ которые мешают действию бактеррий, например мыла, стиральных порошков, антибиотиков / 20/.

Биогаз содержит 50÷80 % метана (СН 4), 50÷20 % диоксида углерода (СО 2), 0÷3 % сероводорода (Н 2 S), а так же примесей: водорода, аммиака и окислов азота. Биогаз не имеет неприятного запаха. Теплота сгорания 1 м 3 биогаза достигает 21÷29 МДж, что примерно эквивалентно сжиганию 0,6 л бензина, 0,85 л спирта, 1,7 кг дров или использованию 1,4÷1,6 кВт*ч электроэнергии. Эффективность сбраживания зависит от соблюдения анаэробных условий, температурного режима и продолжительности сбраживания. Сбраживание навоза возможно при температуре 30÷35 °С (мезоф и льный реж и м брожен и я ) и 50÷60°С и выше (термоф и льный реж и м ).

Продолжительность сбраживания навоза зависят от вида биомассы. Для навоза крупного рогатого скота и куриного помета продолжительность составляет 20 суток (сут), свиного навоза - 10 сут. Активность микробной реакции в значительной мере определяется соотношением углерода и азота. Наиболее благоприятные условия при соотношении С/N == 10:16.

С 1 м 3 реактора выход биогаза достигает 2÷3 м 3 биогаза, от птичьего помёта - 6 м 3 /21/. В сутки от одного животного можно получить следующее количество биогаза: крупный рогатый скот (массой 500÷600 кг) - < 1,5 м 3 ; свиньи (массой 80÷100 кг) - 0,2 м 3 ; куры или кролики - 0,015 м 3 .

Данные об удельном выходе биогаза от различных сельскохозяйственных отходов приведены в таблице 15.1 /17, с.357/.

Энергию, которую получают от сжигания биогаза можно использовать для различных нужд сельского хозяйства. С помощъю приводимого газовым двигателем внутреннего сгорания электрического генератора можно получать электроэнергию. Недостатком является то, что часть выработанной энергии необходимо исполльзовать на работу самой биогазовой установки (в некоторых установка до 50 % вырабатываемой энергии).

Биогаз можно сжигать как топливо в горелках отопительных установок, водогрейных котлов, газовых плит и использовать в холодильных установках абсорбционного типа, в автотракторных двигателях, в агрегатах инфракрасного излучения. Карбюраторный двигатель легко переводнтся на газ, в том числе на биогаз. Для этого карбюратор заменяют на смеситель. Не представляет трудностей перевод дизельных двигателей на работу с газом. При переводе с дизельного топлива на природный газ мощность двигателя снижается на 20 %, с природного на биогаз - на 10 %. Расход биогаза составляет в среднем 0,65 м 3 /кВт ч. Давление газа перед двигателем должно быть не менее 0,4 кПа /17, с.358/.

В животноводстве для подогрева воды потребность в биогазе на одно животное в год составляет: дойной коровы - 21-30 м 3 , свиньн - 1,4-4,9 м 3 . Большие значения этих цифр относятся к малым фермам, меньшие - к средним.

Таблица 15.1.

Выход биогаэа из органических отходов

Потребность в биогазе для отопления доильных помещений равна: при числе коров 40 - 164/327 м 3 /год; при числе коров 60 - 212/410 м 3 /год; при числе коров 80 - 262/530 м 3 /год. В числителе указаны данные при температуре наружного воздуха до - 10 °С, в знаменателе - при температуре наружного воздуха t н ниже - 10°С.

Для отопления птичников при наружной температуре - 10°С и внутренней 18°С требуется примерно 1,2 м 3 /ч на 1000 голов.

Остаток (метатановую бражку) можно использовать в качестве удобрения.

Б и огазовые установк и (БГУ) в зависимости от особенностей технологической схемы бывают трех типов: непрерывные, периодические и аккумулятивные /17, с.360/.

При непрерывной (проточной) схеме (рис. 15.1) свежий субстрат загружают в камеру сбраживания непрерывно или через определенные промежутки времени (от 2 до 10 раз в сутки), удаляя такое же коли-чество сброженной массы. Эта система позволяет получить максимальное количество биогаза, но требует больше материальных расходов.

При периодической (циклической) схеме (рис. 15.2) имеются две камеры сбраживания, которые загружают по очереди. В данном случае полезный объем камер используется менее эффективно, чем при непрерывной. Кроме того, нужны значительные запасы навоза или другого субстрата для их заполнения.

При аккумулятивной схеме хранилище для навоза служит одновременно камерой сбраживания и хранения перебродившего навоза до его выгрузки (рис. 15.3).

Биогаз - это газ, который получается метановым брожением биомассы. Разложение биомассы на компоненты происходит под воздействием 3-х видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид - бактерии гидролизные, второй кислото-образующие, третий - метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.

Состав биогаза

55%-75 % метана, 25 %-45 % CO2, незначительные примеси H2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан. Биометан полный аналог природного газа. Отличие только в происхождении.

Сырьё для получения

Органические отходы: навоз, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозавода - лактоза, молочная сыворотка, отходы производства биодизеля - технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков - жом фруктовый, ягодный, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки - мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов - очистки, шкурки, гнилые клубни.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 30-50 м³ биогаза с содержанием метана 60 , 150-500 м3 биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70 %. Максимальное количество биогаза - это 1300 м3 с содержанием метана до 87 можно получить из жира.

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

Из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза.

Чтобы посчитать выход биогаза 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 трудно разлагаемых веществ (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание элементов, считается выход газа для каждого по отдельности и затем суммируется.

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

Кроме отходов биогаз может производится из специально выращенных энергетических культур, например из силосной кукурузы или сильфия. Выход газа может достигать до 500 м3 с тонны.

История

Человечество научилось использовать биогаз давно. В 2 тысячелетии до н.э. на территории современой Германии уже существовали примитивные биогазовые установки. Алеманам, населявшим заболоченные земли бассейна Эльбы, чудились Драконы в корягах на болоте. Они полагали, что горючий газ скапливающийся в ямах на болотах - это вонючее дыхание Дракона. Чтобы задобрить Дракона в болото бросались жертвоприношения и остаки пищи. Люди верили, что Дракон приходит ночью и его дыхание остается в ямах. Алеманы додумались шить из кожи тенты, накрывать ими болото, отводить газ по кожанным же трубкам к своему жилищу и сжигать его для приготовления пищи. Оно и понятно, ведь сухие дрова найти было трудно, а болотный газ (биогаз) отлично решал эту проблему.

В XVII веке Ян Баптист Ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся биомасса выделяет воспламеняющиеся газы. Алессандро Вольта в 1776 году пришёл к выводу о существовании зависимости между количеством разлагающейся биомассы и количеством выделяемого газа. В 1808 году сэр Хэмфри Дэви обнаружил метан в биогазе.

Первая задокументированная биогазовая установка была построена в Бомбее, Индия в 1859 году. В 1895 году биогаз применялся в Великобритании для уличного освещения. В 1930 году, с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза.

Экология

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Переработанный навоз применяется в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.

Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.

Производство

Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60-ти разновидностей технологий получения биогаза. Наиболее распространённый метод - анаэробное сбраживание в метатанках, или анаэробных колоннах (в русском языке термин не устоялся). Часть энергии, получаемой в результате утилизации биогаза направляется на поддержание процесса (до 15-20 % зимой). В странах с жарким климатом нет необходимости подогревать метантанк. Бактерии перерабатывают биомассу в метан при температуре от 25°С до 70°С.

Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двух-стадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда, не перерабатывается в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей.

Получение биогаза экономически оправдано при переработке постоянного потока отходов, например на животноводческих фермах.

Свалочный газ - одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов.

Применение

Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива. В Индии, Вьетнаме, Непале и др. странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи.

Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод. Т.е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.

Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае - более 10 млн. (на конец 1990-х). Они производят около 7 млрд. м³ биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн. крестьян. В Индии с 1981 года было установлено 3,8 млн. малых биогазовых установок.

В конце 2006 года в Китае действовало около 18 млн. биогазовых установок. Их применение позволяет заменить 10,9 млн. тонн условного топлива.

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании - биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия - 8000 тыс. шт. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.

Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии: Берн, Базель, Женева, Люцерн и Лозанна. По прогнозам Швейцарской Ассоциации Газовой Индустрии к 2010 году 10% автотранспорта Швейцарии будет работать на биогазе.

Современный мир построен на все увеличивающемся потреблении, поэтому особенно быстро истощаются минеральные и сырьевые ресурсы. В то же время на многочисленных животноводческих фермах ежегодно накапливаются миллионы тонн зловонного навоза, и тратятся немалые средства для его утилизации. Люди также не отстают в производстве биологических отходов. К счастью, разработана технология, позволяющая одновременно решать эти проблемы: используя биоотходы (прежде всего, навоз) в качестве сырья, получать экологически чистое возобновляемое топливо – биогаз. Применение таких новаторских технологий породило новую перспективную отрасль – биоэнергетику.

Что такое биогаз

Биогазом называют летучее газообразное вещество, не имеющее цвета, совсем без запаха. Он состоит на 50-70 процентов из метана, до 30 процентов его составляет углекислый газ СО2 и еще 1-2 процента – газообразные вещества – примеси (при очистке от них получается чистейший биометан).

Качественные физико-химические показатели этого вещества приближаются к обычному высококачественному природному газу. По исследованиям ученых, у биогаза очень высокие теплотворные свойства: так, тепло, выделяемое при сжигании одного кубометра этого природного топлива, равнозначно теплу от полутора килограмм каменного угля.

Выделение биогаза происходит благодаря жизнедеятельности особого вида бактерий – анаэробных, при этом мезофильные бактерии активизируются при прогревании среды до 30-40 градусов Цельсия, а термофильные размножаются при более высокой температуре – до +50 градусов.

Под действием их ферментов органическое сырье разлагается с выделением биологического газа.

Сырье для биогаза

Не любые органические отходы подходят для переработки на биогаз. Например, помет от птицефабрик и свиноферм в чистом виде использовать категорически нельзя, потому что у них высок уровень токсичности. Для получения из них биогаза в такие отходы необходимо добавлять разбавляющие вещества: силосовую массу, зеленую травяную массу, а также навоз из-под коров. Последний компонент – самое подходящее сырье для получения экологически чистого топлива, поскольку коровы питаются только растительной пищей. Однако и его надо контролировать на предмет содержания тяжелометаллических примесей, химических составляющих, поверхностно-активных веществ, которых в сырье не должно быть в принципе. Очень важный пункт – контроль на антибиотики и дезинфицирующие вещества. Наличие их в навозе способно препятствовать процессу разложения сырьевой массы и образования летучего газа.

Дополнительная информация. Совсем обойтись без дезинфицирующих средств невозможно, потому что иначе на биомассе под воздействием высоких температур начинает образовываться плесень. Также следует следить и вовремя очищать навозные массы от механических загрязнений (гвозди, болты, камни и т.п.), которые могут быстро испортить биогазовое оборудование. Влажность сырья, идущего для получения биогаза, должна составлять не менее 80-90%.

Механизм образования газа

Для того чтобы в процессе безвоздушного брожения (его по-научному называют анаэробной ферментацией) из органического сырья начал выделяется биогаз, необходимы соответствующие условия: герметичная емкость и повышенная температура. Если все сделано правильно, продуцирующийся газ поднимается наверх, откуда его выбирают для использования, а те твердые частицы, что остаются, представляют собой отличное биоорганическое сельскохозяйственное удобрение, богатое азотом и фосфором, но освобожденное от вредных микроорганизмов. Для правильного и полного протекания процессов очень важен температурный режим.

Полный цикл преобразования навоза в экологическое топливо составляет от 12 дней до месяца, это зависит от состава сырья. С одного литра полезного объема реактора получается около двух литров биогаза. Если применять более совершенные модернизированные установки, то процесс производства биотоплива убыстряется до 3 суток, а выработка биогаза повышается до 4,5- 5 литров.

Люди начали изучать и использовать технологию добычи биотоплива из органических природных источников еще с конца XVIII века, а в бывшем СССР первое устройство по получению биогаза было разработано еще в 40-е годы прошлого столетия. В наше время эти технологии приобретают все большее значение и популярность.

Преимущества и недостатки биогаза

Биогаз как источник энергии имеет неоспоримые плюсы:

• он служит улучшению экологической обстановки в тех местностях, где широко применяется, поскольку наравне с сокращением использования загрязняющего природу топлива происходит очень эффективное уничтожение биоотходов и обеззараживание стоков, т.е. биогазовое оборудование выполняет роль очистительной станции;
• сырье для производства этого органического топлива является возобновляемым и практически бесплатным – пока животные на фермерских хозяйствах получают питание, они будут производить биомассу, а, значит, и топливо для биогазовых установок;
• приобретение и использование оборудования экономически выгодно – однажды купленная установка для получения биогаза больше не потребует никаких вложений, а обслуживается она просто и дешево; так, биогазовая установка для использования в фермерском хозяйстве начинает окупаться уже через три года после запуска; отсутствует необходимость сооружать инженерные коммуникации и линии передачи энергии, затраты на запуск биостанции снижаются на 20 процентов;
• отпадает необходимость в подведении таких инженерных коммуникаций, как линии электропередач и газопровод;
• производство биогаза на станции с использованием местного органического сырья – безотходное предприятие, в противовес предприятиям на традиционных энергоносителях (газопроводы, котельные и т.п.), отходы не загрязняют экосреду, не требуют места для своего хранения;
• при использовании биогаза в атмосферу выделяется некоторое количество углекислого газа, а также серы, однако, эти количества минимальны по сравнению с тем же природным газом и усваиваются зелеными насаждениями при дыхании, поэтому вклад биоэтанола в парниковый эффект минимален;
• по сравнению с другими альтернативными источниками энергии, выработка биогаза всегда стабильна, деятельностью и производительностью установок по его производству человек может управлять (в отличие, например, от солнечных батарей), собирая несколько установок в одну или, наоборот, дробя на отдельные участки для снижения риска аварии;
• в выхлопных газах при использовании биотоплива содержание оксида углерода снижается на 25 процентов, а оксидов азота – на 15;
• помимо навоза, можно использовать и некоторые виды растений для получения биомассы на топливо, например, сорго поможет улучшить состояние почв;
• при добавлении биоэтанола в бензин его октановое число увеличивается, а само топливо становится более детонационно- стойким, его температура самовоспламенения значительно снижается.

Биогаз – не идеальное топливо, он и технология его получения также не лишены недостатков:

• скорость переработки органического сырья в оборудовании для производства биогаза – слабое место в технологии по сравнению с традиционными источниками получения энергии;
• у биоэтанола меньшая теплота сгорания, чем у топлива из нефти – на 30 процентов меньше выделяется энергии;
• процесс довольно неустойчив, для его поддержания требуется большое количество ферментов определенного качества (например, изменение в рационе коров очень сильно влияет на качество навозного сырья);
• недобросовестные производители биомассы для станций переработки могут значительно истощать почвы повышенными засевами, это нарушает экологическое равновесие территории;
• трубы и емкости с биогазом могут разгерметизироваться, что приведет к резкому снижению качества биотоплива.

Где применяется биогаз

Прежде всего, это экологическое биотопливо идет на удовлетворение бытовых потребностей населения, как замена природному газу, для обогрева и приготовления пищи. Предприятия могут использовать биогаз для запуска замкнутого цикла изготовления продукции: особенно эффективно его применение в газовых турбинах. При грамотной наладке и полном совмещении такой турбины с установкой по получению биотоплива его стоимость конкурирует с самой дешевой атомной энергией.

Эффективность использования биогаза очень легко подсчитать. Например, от одной единицы крупного рогатого скота можно получить до 40 килограмм навоза, из которого производится полтора кубометра биогаза, достаточного для выработки 3 киловатт/часов электричества.

Определив потребности хозяйства в электроэнергии, можно определить, какой вид установки для получения биогаза использовать. При небольшом поголовье коров лучше всего биогаз в домашних условиях добывать с помощью простейшей биогазовой установки малой мощности.

Если же хозяйство очень крупное, и на нем постоянно образуется большое количество биоотходов, выгодно смонтировать автоматизированную биогазовую систему промышленного типа.

Обратите внимание! При проектировании и наладке тут потребуется помощь квалифицированных специалистов.

Конструкция биогазовой установки

Любая биоустановка состоит из следующих основных частей:

• биореактор, где происходит биоразложение навозной смеси;
• система подачи органического топлива;
• агрегат для размешивания биологических масс;
• аппараты для создания и поддержания нужного уровня температуры;
• цистерны для помещения в них полученного биогаза (газгольдеры);

• емкости для помещения туда образующихся твердых фракций.

Это полный список элементов для промышленных автоматизированных установок, тогда как биогазовая установка для частного дома гораздо более проще сконструирована.

Биореактор должен быть полностью герметичным, т.е. доступ кислорода недопустим. Это может быть емкость из металла в виде цилиндра, установленная на поверхности почвы, хорошо для этих целей подходят бывшие цистерны от топлива емкостью по 50 кубометров. Готовые разборные биореакторы быстро монтируются / демонтируются и легко перемещаются на новое место.

Если предполагается небольшая биогазовая станция, то целесообразно размещать реактор под землей и выполнять его в виде кирпичного или бетонного резервуара, а также металлических или ПВХ бочек. Можно помещать такой биоэнергетический реактор в помещение, однако необходимо обеспечить постоянное вентилирование воздуха.

Бункеры для подготовки биологического сырья – необходимый элемент системы, потому что перед тем, как попасть в реактор, его надо подготовить: измельчить на частицы до 0,7 миллиметра и пропитать водой, чтобы довести влажность сырья до 90 процентов.

Системы подачи сырья состоят из сырьевого приемника, водопровода и насоса для подачи подготовленной массы в реактор.

Если биореактор выполнен в подземном исполнении, емкость для сырья располагают на поверхности, чтобы подготовленный субстрат самостоятельно под действием силы тяжести тек в реактор. Возможно также расположить сырьевой приемник в верхней части бункера, тогда необходимо использование насоса.

Отверстие для вывода отходов располагают ближе к днищу, напротив входа для сырья. Приемник для твердых фракций выполняют в виде прямоугольного ящика, куда ведет выходная трубка. При поступлении в биореактор новой порции подготовленного био-субстрата, такая же по объему партия твердых отходов подается в приемник. В дальнейшем они используются в хозяйствах в качестве отличных биоудобрений.

Полученный биогаз хранится в газгольдерах, которые помещаются, как правило, сверху реактора и имеют конусообразную или куполообразную форму. Изготавливаются газгольдеры из железа и прокрашиваются масляной краской в несколько слоев (это помогает избежать коррозийного разрушения). В больших промышленных биоустановках емкости для биогаза выполняются в виде отдельно стоящих цистерн, соединенных с реактором.

Для придания полученному газу горючих свойств необходимо избавить его от водяных паров. Производится провод биотоплива по трубе через водяную емкость (гидрозатвор), после чего его можно подавать по пластиковым трубам непосредственно для потребления.

Иногда можно встретить особенные газгольдеры мешкообразного вида из ПВХ. Их располагают в непосредственной близости от установки. По мере заполнения биогазом мешки раскрываются, их объем увеличивается настолько, чтобы принять весь произведенный газ.

Для эффективного протекания процессов биоброжения необходимо постоянное перемешивание субстрата. Для предотвращения образования корки на поверхности биомассы и замедления процессов брожения необходимо постоянно активно ее перемешивать. Для этого сбоку реактора монтируются погружные или наклонные размешиватели в виде миксера для механического перемешивания массы. Для небольших станций они ручные, для промышленных – с автоматическим управлением.

Необходимую для осуществления жизнедеятельности анаэробных бактерий температуру поддерживают с помощью автоматизированных обогревательных систем (для стационарных реакторов), они начинают подогрев при снижении тепла ниже нормы и автоматически выключаются при достижении нормальной температуры. Также можно использовать котельные установки, электрообогреватели или вмонтировать в днище емкости с сырьем специальный нагреватель. Одновременно необходимо снизить потери тепла от биореактора, для этого его укутывают слоем стекловаты или проводят другую теплоизоляцию, например, из пенополистирола.

Биогаз своими руками

Для частных домов применение биогаза сейчас очень актуально – из практически бесплатного навоза можно получить газ для бытовых нужд и обогрева дома и фермы. Собственная биогазовая установка – это гарантия от отключений электричества и подорожания газа, а также отличный способ утилизировать биоотходы, а также ненужную бумагу.

Для строительства в первый раз логичнее всего использовать простые схемы, такие конструкции будут более надежными и прослужат дольше. В дальнейшем установку можно будет дополнить более сложными деталями. Для дома площадью в 50 квадратов достаточное количество газа получается при объеме емкости для ферментирования в 5 кубометров. Для обеспечения постоянного температурного режима, необходимого для правильного брожения, можно использовать трубу отопления.

На первом этапе строительства роют траншею для биореактора, стенки которой должны быть укреплены и герметизированы с помощью пластика, бетонной смеси или же кольцами из полимеров (желательно наличие в них глухого дна – периодически по мере пользования их придется заменять).

Второй этап заключается в монтаже газового дренирования в виде полимерных труб с многочисленными отверстиями. При установке следует учитывать, что верхушки труб должны превышать планируемую глубину наполнения реактора. Диаметр выходных труб должен быть не больше 7-8 сантиметров.

Следующий этап – изоляция. После этого можно заполнять реактор подготовленным субстратом, после чего он укутывается пленкой для увеличения давления.

На четвертом этапе монтируют купола и отводную трубу, которая ставится в самой высокой точке купола и соединяет реактор с газгольдером. Газгольдер можно обложить кирпичом, поверх монтируется сетка из нержавеющей стали и покрывается штукатуркой.

В верхней части газгольдера помещают люк, который закрывается герметично, из него выводят газовую трубу с клапаном для уравнивания давления.

Важно! Получаемый газ должен отводиться и потребляться постоянно, поскольку длительное его хранение в свободной части биореактора может спровоцировать взрыв от повышенного давления. Необходимо предусмотреть гидрозатвор для того, чтобы биогаз не смешивался с воздухом.

Для разогрева биомассы можно установить змеевик, идущий от отопительной системы дома, – это экономически гораздо выгоднее, чем применение электрообогревателей. Внешнее обогревание можно предусмотреть с помощью пара, это исключит перегрев сырья выше нормы.

В целом биогазовая установка своими руками – не такое сложное сооружение, но при ее обустройстве необходимо обращать внимание на самые мелкие детали, во избежание пожаров и разрушений.

Дополнительная информация. Строительство даже самой простой биоустановки должно быть оформлено соответствующими документами, необходимо иметь технологическую схему и карту монтажа оборудования, нужно получить одобрение Санэпидемстанции, пожарной и газовой служб.

В наше время использование альтернативных источников энергии набирает обороты. Среди них очень перспективной является подотрасль биоэнергетики – получение биогаза из органических отходов типа навоза и силоса. Станции производства биогаза (промышленные или маленькие домашние) способны решить проблемы утилизации отходов, получения экологического топлива и тепла, а также качественных сельскохозяйственных удобрений.

Видео

Рост цен на энергоносители заставляет задуматься о возможности обеспечить себя ими самостоятельно. Один из вариантов — биогазовая установка. С ее помощью из навоза, помета и растительных остатков получают биогаз, который после очистки можно использовать для газовых приборов (плиты, котла), закачивать в баллоны и использовать его как топливо для автомобилей или электрогенераторов. В общем — переработка навоза в биогаз может обеспечить все потребности дома или фермы в энергоносителях.

Постройка биогазовой установки — способ самостоятельного обеспечения энергоресурсами

Общие принципы

Биогаз — продукт, который получается при разложении органических веществ. В процессе гниения/брожения выделяются газы, собрав которые, можно обеспечить нужды собственного хозяйства. Оборудование, в котором происходит данный процесс называю «биогазовая установка».

Процесс образования биогаза происходит за счет жизнедеятельности разного рода бактерий, которые содержатся в самих отходах. Но для того чтобы они активно «работали» необходимо им создать определенные условия: влажность и температуру. Для их создания строятся биогазовая установка. Это комплекс устройств, основа которого — биореактор, в котором и происходит разложение отходов, который сопровождается газообразованием.

Различают три режима переработки навоза в биогаз:

• Психофильный режим. Температура в биогазовой установке от +5°C до +20°C. При таких условиях процесс разложения идет медленно,газа образуется намного, его качество низкое.
• Мезофильный. На этот режим установка выходит при температуре от +30°C до +40°C. В этом случае активно размножаются мезофильные бактерии. Газа при этом образуется больше, процесс переработки занимает меньше времени — от 10 до 20 дней.
• Термофильный. Эти бактерии размножаются при температуре от +50°C. Процесс идет быстрее всего (3-5 дней), выход газа — самый большой (при идеальных условиях с 1 кг завоза можно получить до 4,5 литров газа). Большинство справочных таблиц по выходу газа от переработки даны именно для этого режима, так что при использовании других режимов стоит делать корректировку в меньшую сторону.

Сложнее всего в биогазовых установках реализуется термофильный режим. Тут требуется качественная теплоизоляция биогазовой установки, подогрев и система контроля за температурой. Зато на выходе получаем максимальное количество биогаза. Еще одна особенность термофильной переработки — невозможность дозагрузки. Остальные два режима — психофильный и мезофильный — позволяют ежедневно добавлять свежую порцию подготовленного сырья. Но, при термофильном режиме, малый срок переработки позволяет разделить биореактор на зоны, в которых будет перерабатываться своя доля сырья с разными сроками загрузки.

Схема биогазовой установки

Основа биогазовой установки — биореактор или бункер. В нем происходит процесс брожения, в нем же скапливается полученный газ. Также есть бункер загрузки и выгрузки, выработанный газ выводится через вставленную в верхнюю часть трубу. Далее идет система доработки газа — ее очистка и повышение давления в газопроводе до рабочего.

Для мезофильных и термофильных режимов необходима также система подогрева биореактора — для выхода на требуемые режимы. Для этого обычно используются газовые котлы, работающие на произведенном топливе. От него система трубопроводов идет в биореактор. Обычно это полимерные трубы, так как они лучше всего переносят нахождение в агрессивной среде.

Еще биогазовая установка нуждается в системе для перемешивания субстанции. При брожении вверху образуется твердая корка, тяжелые частицы оседают вниз. Все это вместе ухудшает процесс газообразования. Для поддержания однородного состояния перерабатываемой массы и необходимы мешалки. Они могут быть механическими и даже ручными. Могут запускаться по таймеру или вручную. Все зависит от того, как сделана биогазовая установка. Автоматизированная система более дорога при монтаже, но требует минимума внимания при эксплуатации.

Биогазовая установка по типу расположения может быть:

• Надземной.
• Полузаглубленной.
• Заглубленной.

Более затратны в установке заглубленные — требуется большой объем земельных работ. Но при эксплуатации в наших условиях они лучше — проще организовать утепление, меньше расходы на подогрев.

Что можно перерабатывать

Биогазовая установка по сути всеядна — перерабатываться может любая органика. Подходит любой навоз и моча, растительные остатки. Негативно влияют на процесс моющие вещества, антибиотики, химия. Их поступление желательно минимизировать, так как они убивают флору, которая занимается переработкой.

Идеальным считается навоз КРС, так как в нем содержатся микроорганизмы в большом количестве. Если в хозяйстве нет коров, при загрузке биореактора желательно добавить некоторую часть помета, для заселения субстрата требуемой микрофлорой. Растительные остатки предварительно измельчаются, разводятся с водой. В биореакторе смешиваются растительное сырье и экскременты. Такая «заправка» перерабатывается дольше, но на выходе при правильном режиме, имеем наибольший выход продукта.

Определение местоположения

Чтобы минимизировать затраты на организацию процесса, имеет смысл расположить биогазовую установку неподалеку от источника отходов — возле построек, где содержится птица или животные. Разработать конструкцию желательно так, чтобы загрузка происходила самотеком. Из коровника или свинарника можно проложить под уклоном трубопровод, по которому навоз будет самотеком поступать в бункер. Это существенно облегчает задачу по обслуживанию реактора, да и уборку навоза тоже.

Наиболее целесообразно расположить биогазовую установку так, чтобы отходы с фермы могли поступать самотеком

Обычно строения с животными находятся на некотором отдалении от жилого дома. Потому выработанный газ нужно будет передавать к потребителям. Но протянуть одну газовую трубу дешевле и проще, чем организовывать линию по транспортировке и загрузке навоза.

Биореактор

К емкости для переработки навоза предъявляются довольно жесткие требования:

Все эти требования по строительству биогазовой установки должны выполняться, так как они обеспечивают безопасность и создают нормальные условия для переработки навоза в биогаз.

Из каких материалов можно сделать

Стойкость к агрессивных средам — это основное требование к материалам, из которых можно сделать емкость. Субстрат в биореакторе может иметь кислую или щелочную реакцию. Соответственно материал, из которого изготавливают емкость, должен хорошо переносить различные среды.

Этим запросам отвечают не так много материалов. Первое что приходит на ум — металл. Он прочен, из него можно сделать емкость любой формы. Что хорошо, что использовать можно готовую емкость — какую-то старую цистерну. В этом случае строительство биогазовой установки займет совсем немного времени. Недостаток металла — он вступает в реакцию с химически активными веществами и начинает разрушаться. Для нейтрализации данного минуса металл покрывается защитным покрытием.

Отличный вариант — емкость биореактора из полимера. Пластик химически нейтрален, не гниет, не ржавеет. Только надо выбирать из таких материалов, которые выносят заморозку и нагрев до достаточно высоких температур. Стенки реактора должны быть толстыми, желательно армированными стекловолокном. Такие емкости недешевы, зато они служат долго.

Более дешевый вариант — биогазовая установка с емкостью из кирпича, бетонных блоков, камня. Для того чтобы кладка выдерживала высокие нагрузки, необходимо армирование кладки (в каждом 3-5 ряду в зависимости от толщины стены и материала). После завершения процесса возведения стен для обеспечения водо- и газо- непроницаемости необходима последующая многослойная обработка стен как изнутри, так и снаружи. Стены штукатурят цементно-песчаным составом с добавками (присадками), обеспечивающими требуемые свойства.

Определение размеров реактора

Объем реактора зависит от выбранной температуры переработки навоза в биогаз. Чаще всего выбирается мезофильная — ее легче поддерживать и она предполагает возможность ежедневной дозагрузки реактора. Выработка биогаза после выхода на нормальный режим (порядка 2 дней) идет стабильно, без всплесков и провалов (при создании нормальных условий). В этом случае имеет смысл рассчитать объем биогазовой установки в зависимости от количества навоза, образующегося в хозяйстве за сутки. Все легко подсчитывается, исходя из среднестатистических данных.

Разложение навоза при мезофильных температурах идет от 10 до 20 дней. Соответственно, объем рассчитывается умножением на 10 или 20. При расчете необходимо учитывать количество воды, которое необходимо для приведения субстрата к идеальному состоянию — его влажность должна быть 85-90%. Найденный объем увеличивают на 50%, так как максимальная загрузка не должна превышать 2/3 по объему резервуара — под потолком должен скапливаться газ.

Например, в хозяйстве 5 коров, 10 свиней и 40 кур. За сути образуется 5 * 55 кг + 10 * 4,5 кг + 40 * 0,17 кг = 275 кг + 45 кг + 6,8 кг = 326,8 кг. Чтобы привести куриный помет к влажности 85% необходимо добавить чуть больше 5 литров воды (это еще 5 кг). Итого общая масса получается 331,8 кг. Для переработки за 20 дней необходимо: 331,8 кг * 20 = 6636 кг — около 7 кубов только под субстрат. Найденную цифру умножаем на 1,5 (увеличиваем на 50%), получаем 10,5 куб. Это и будет расчетная величина объема реактора биогазовой установки.

Люки загрузки и разгрузки ведут непосредственно в емкость биореактора. Для того чтобы субстрат равномерно распределялся по всей площади, делают их в противоположных концах емкости.

При заглубленном способе установки биогазовой установки, загрузочные и разгрузочные трубы подходят к корпусу под острым углом. Причем нижний конец трубы должен находится ниже уровня жидкости в реакторе. Таким образом исключается попадание воздуха в емкость. Также на трубах ставят поворотные или отсечные задвижки, которые в нормальном положении закрыты. Открываются они только на время загрузки или выгрузки.

Так как в навозе могут содержаться крупные фрагменты (элементы подстилки, стебли травы и т.д.), трубы малого диаметра будут часто забиваться. Потому для загрузки-выгрузки они должны быть диаметром 20-30 см. Монтировать их необходимо до начала работ по утеплению биогазовой установки, но после того, как емкость установлена на место.

Наиболее удобный режим работы биогазовой установки — с регулярной загрузкой и выгрузкой субстрата. Данная операция может проводится раз в сутки или раз в двое суток. Навоз и другие компоненты предварительно собираются в накопительной емкости, где доводятся до требуемого состояний — измельчаются, при необходимости увлажняются и перемешиваются. Для удобства в данной емкости может быть механическая мешалка. Подготовленный субстрат выливается в приемный люк. Если расположить приемную емкость на солнце, субстрат будет предварительно нагреваться, что уменьшит затраты на поддержание требуемой температуры.

Глубину установки приемного бункера желательно рассчитать так, чтобы отходы стекали в него самотеком. То же касается выгрузки в биореактор. Лучший случай, если подготовленный субстрат будет двигаться самотеком. А отгораживать его на время подготовки будет заслонка.

Для обеспечения герметичности биогазовой установки, люки на приемном бункере и в зоне выгрузки должны иметь герметизирующий резиновый уплотнитель. Чем меньше будет в емкости воздуха, тем чище будет газ на выходе.

Сбор и отвод биогаза

Отведение биогаза из реактора происходит через трубу, один конец которой находится под крышей, второй обычно опущен в гидрозатвор. Это емкость с водой, в которую выводится полученный биогаз. В гидрозатворе есть вторая труба — она находится выше уровня жидкости. В нее выходит уже более чистый биогаз. На выходе их биореактора устанавливается отсечной газовый кран. Лучший вариант — шаровый.

Какие материалы можно использовать для системы передачи газа? Гальванизированные металлические трубы и газовые трубы из ПНД или ППР. Они должны обеспечивать герметичность, швы и стыки проверяются при помощи мыльной пены. Весь трубопровод собирается из труб и арматуры одного диаметра. Без сужений и расширений.

Очищение от примесей

Примерный состав получаемого биогаза такой:

• метан — до 60%;
• углекислый газ — 35%;
• другие газообразные вещества (в том числе и сероводород, придающий газу неприятный запах) — 5%.

Для того чтобы биогаз не имел запаха и хорошо горел, необходимо удалить из него углекислый газ, сероводород, пары воды. Удаление углекислого газа происходит в гидрозатворе, если на дно установки добавить гашеную известь. Такую закладку придется периодически менять (как станет газ гореть хуже — пора менять).

Осушение газа можно сделать двумя способами — сделав в газопроводе гидрозатворы — вставив в трубу изогнутые участки под гидрозатворы, в которых будет скапливаться конденсат. Недостаток такого способа — необходимость регулярного опорожнения гидрозатвора — при большом количестве собранной воды она может заблокировать проход газа.

Второй способ — поставить фильтр с силикагелем. Принцип тот же, что и в гидрозатворе — газ подается в силикагель, отводится осушенный из-под крышки. При таком способе осушения биогаза, силикагель приходится периодически осушать. Для этого его требуется прогреть некоторое время в микроволновке. Он нагревается, влага испаряется. Можно засыпать и снова использовать.

Для удаления сероводорода используется фильтр с загрузкой из металлической стружки. Можно в емкость загрузить старые металлические мочалки. Очищение происходит точно также: газ подается в нижнюю часть заполненной металлом емкости. Проходя, он очищается от сероводорода, собирается в верхней свободной части фильтра, откуда выводится по через другую трубу/шланг.

Газгольдер и компрессор

Прошедший очистку биогаз поступает в емкость для хранения — газгольдер. Это может быть герметичный полиэтиленовый мешок, пластиковая емкость. Основное условие — газонепроницаемость, форма и материал не имеют значения. В газгольдере хранится запас биогаза. Из него, при помощи компрессора, газ под определенным давлением (задается компрессором) поступает уже к потребителю — на газовую плиту или котел. Этот газ также может использоваться для выработки электроэнергии при помощи генератора.

Для создания стабильного давления в системе после компрессора желательно установить ресивер — небольшое устройство для нивелирования скачков давления.

Устройства для перемешивания

Чтобы биогазовая установка работала в нормальном режиме, необходимо регулярное перемешивание жидкости в биореакторе. Этот несложный процесс решает множество задач:

• перемешивает свежую порцию загрузки с колонией бактерий;
• способствует высвобождению выработанного газа;
• выравнивает температуру жидкости, исключая более прогретые и более холодные участки;
• поддерживает однородность субстрата, предотвращая оседание или всплытие некоторых составляющих.

Обычно небольшая самодельная биогазовая установка имеет механические мешалки, которые приводятся в движение при помощи мускульной силы. В системах с большим объемом приводить в движение мешалки могут моторы, которые включаются таймером.

Второй способ — перемешивать жидкость, пропуская через нее част выработанного газа. Для этого после выхода из метатенка ставится тройник и часть газа полается в нижнюю часть реактора, где через трубку с дырками выходит. Эту часть газа нельзя считать расходом, так как он все равно снова попадает в систему и, в результате, оказывается в газгольдере.

Третий способ перемешивания — при помощи фекальных насосов перекачивать субстрат их нижней части, выливать его вверху. Недостаток этого способа — зависимость от наличия электроэнергии.

Система подогрева и теплоизоляция

Без подогрева перерабатываемой жижи размножаться будут психофильные бактерии. Процесс переработки в этом случае займет от 30 дней, а выход газа будет небольшим. Летом, при наличии теплоизоляции и предварительном подогреве загрузки возможен выход на температуры до 40 градусов, когда начинается развитие мезофильных бактерий, но зимой такая установка практически неработоспособна — процессы протекают очень вяло. При температуре ниже +5°C они практически замирают.

Чем греть и где расположить

Для получения лучших результатов используют подогрев. Наиболее рациональный — водяной подогрев от котла. Работать котел может на электричестве, твердом или жидком топливе, также можно запустить его на вырабатываемом биогазе. Максимальная температура, до которой требуется греть воду — +60°C. Более горячие трубы могут вызвать налипание на поверхность частиц, что приведет к снижению эффективности обогрева.

Можно использовать и прямой подогрев — вставить ТЭНы, но во-первых, сложно организовать перемешивание, во-вторых, на поверхности будет налипать субстрат, снижая теплоотдачу, ТЭНы будут быстро перегорать

Обогреваться биогазовая установка может с использованием стандартных радиаторов отопления, просто трубами, закрученными в змеевик, сварными регистрами. Трубы использовать лучше полимерные — металлопластиковые или полипропиленовые. Подходят также трубы из гофрированной нержавейки, их проще укладывать, особенно в цилиндрических вертикальных биореакторах, но гофрированная поверхность провоцирует налипание осадка, что не очень хорошо для теплоотдачи.

Чтобы снизить возможность осаждения частиц на греющих элементах, их располагают в зоне мешалки. Только при этом надо все спроектировать так, чтобы мешалка не могла задеть трубы. Часто кажется, что лучше нагреватели расположить снизу, но практика показала, что из-за осадка на дне такой обогрев неэффективен. Так что более рационально располагать нагреватели на стенках метатэнка биогазовой установки.

Способы водяного обогрева

По способу расположения труб обогрев может быть наружным или внутренним. При внутреннем расположении обогрев эффективен, но ремонт и обслуживание нагревателей невозможны без останова и откачки системы. Потому подбору материалов и качеству выполнения соединений уделяют особое внимание.

Обогрев повышает производительность биогазовой установки и сокращает сроки переработки сырья

При наружном расположении обогревателей, требуется больше тепла (затраты на подогрев содержимого биогазовой установки намного выше), так как много тепла уходит на обогрев стенок. Зато система всегда доступна для ремонта, а прогрев более равномерный, так как греется среда от стенок. Еще один плюс такого решения — мешалки не могут повредить систему обогрева.

Чем утеплять

На дно котлована насыпается сначала выравнивающий слой песка, затем теплоизоляционный слой. Это может быть глина, перемешанная с соломой и керамзитом, шлаком. Все эти компоненты можно смешать, можно насыпать отдельными слоями. Их выравнивают в горизонт, устанавливают емкость биогазовой установки.

Бока биореактора можно утеплять современными материалами или классическими дедовскими методами. Из дедовских методов — обмазка глиной с соломой. Наносится в несколько слоев.

Из современных материалов можно использовать экструдированный пенополистирол высокой плотности, газобетонные блоки малой плотности, . Наиболее технологичен в данном случае пенополиуретан (ППУ), но услуги по его нанесению недешевы. Зато получается бесшовная теплоизоляция, которая минимизирует затраты на обогрев. Есть еще один теплоизоляционный материал — вспененное стекло. В плитах он очень дорог, но его бой или крошка стоит совсем немного, а по характеристикам он почти идеален: не впитывает влагу, не боится замерзания, хорошо переносит статические нагрузки, имеет низкую теплопроводность.

Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60-ти разновидностей технологий получения биогаза. Наиболее распространенный метод - анаэробное сбраживание в метантенках, без доступа воздуха, или в анаэробных колоннах. Часть энергии, получаемой в результате утилизации биогаза, направляется на поддержание процесса. В странах с жарким климатом нет необходимости подогревать метантенк. Бактерии перерабатывают биомассу в метан при температуре от 25 до 200°С. Процесс основан на разложении (гниении) под воздействием бактерий, принадлежащих к двум большим семействам: асидогенов и метаногенов, предварительно сортированных ТБО (органические отходы, густая грязь) в металлических емкостях без доступа воздуха при средней температуре около +55°С. Образующийся газ подается под давлением в очистительную систему, а потом выделяется в два компонента СКЦ (метан) и С0 2 (диоксид углерода). Биогаз состоит из 55-75% метана СН4, 25-45% С0 2 , включая небольшие примеси Н 2 , H 2 S и органических веществ. Период образования качественного биогаза составляет 7-15 дней.

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние (парниковый эффект) в 21 раз более сильное, чем С0 2 , и находится в атмосфере 12 лет. Захват и использование метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.

Россия ежегодно накапливает до 300 млн. т в сухом эквиваленте органических отходов: 250 млн. т в сельскохозяйственном производстве, 50 млн. т в виде бытового мусора. Эти отходы являются сырьем для производства биогаза. Потенциальный объем ежегодно получаемого биогаза может составить 90 млрд. м 3 .

Биогаз собирают, предотвращая загрязнение атмосферы, и используют в качестве топлива для производства электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива. В Индии, Вьетнаме, Непале и других странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи. В Китае на конец 1990 г. было произведено около 7 млрд, м 3 биогаза в год. В 2006 г. этот объем увеличился до 15 млрд. м 3 .

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза принадлежит Дании - биогаз занимает до 18% в ее общем энергобалансе. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.

Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии: Берне, Базеле, Женеве, Люцерне и Лозанне. По прогнозам швейцарской ассоциации газовой индустрии к 2010 г. 10% автотранспорта Швейцарии будет работать на биогазе.

С учетом наших условий метан, выработанный из биогаза, или биогаз в основном его виде может использоваться в виде топлива для малых котельных, автотранспорта и выработки электроэнергии. Рядом с заводом по переработке ТБО планируется строительство модулей - парников для выращивания культур сельского хозяйства, овощей и зелени.

Выделенный метан из биогаза является сырьем для получения многих ценных продуктов химической промышленности - метанола, формальдегида, ацетилена, сероуглерода, хлороформа, синильной кислоты, сажи.

Из 1 тонны твердых и жидких бытовых отходов по технологии анаэробного сбраживания (HSAD) получается 521 м 3 биогаза. Чистый метан имеет теплотворную способность около 35,9 МДж/м 3 при 0°С и 101,3 кПа. 1 млн. британской тепловой единицы Btu (МДж) соответствует 293 кВт/ч.

Рассмотрим пример расчетов по выходу газа в соответствии с американской технологией анаэробного сбраживания HSAD. Имеется 100 тонн муниципальных отходов:

• 45% отходы для сбраживания (фекальные осадки, домашние отходы, картон)
• 55% отходы для сортировки (стекло, металл, пластик, дерево, минералы)
• 45 тонн отходов = 18800 м 3 биогаза (80% возобновляемой нормы)
• 11300 м 3 метана (60%) или 398 млн. Btu;
• 5400 м 3 С0 2 (30%).

При 35% эффективности от 60% метана получается 139 миллионов Btu или 40 727 кВт в день.

Из 137 тонн отходов производится:

• 2525600 тонн компоста в год
• 22,9 млн. литров метана или 17 тонн вдень (65% от общей массы производимого газа, 30% - С0 2)
• 810 млн. Btu в день.

Выход биогаза на 1 тонну абсолютно сухого вещества зависит от вида используемого сырья. Экономически наиболее оправдано получение биогаза из отходов животноводческих ферм. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 200-350 м 3 биогаза с содержанием метана 60%, 300-630 м 3 биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70%.

В биогазовых расчетах даже используется понятие «животной единицы», чтобы иметь возможность сравнивать количество биогаза, производимого из навоза разных животных. Одна животная единица производит в день около 0,5 м 3 биогаза. Одной животной единице соответствуют 1 взрослая корова / 5 телят / 6 свиней /250 куриц.

Сырье для переработки в биогаз: отходы мясной промышленности, жидкие городские отходы, отходы сельского хозяйства, отходы древесины, картон, пищевые отходы, органические отходы - трава, солома, листья, сосновые иголки, навоз, фекальные осадки, домашние отходы, картон. Конечный продукт переработки: биогаз, высококачественный компост.

В настоящее время общее количество метана в атмосфере оценивают в пределах 4600-5000 Тг (Тг = 1012 г, или 1 Тг метана соответствует 1012 граммам углекислого газа). Так как метан, безусловно, дает более сильный парниковый эффект, чем углекислый газ, их эмиссии были сравнены путем пересчета действия метана и действия СО? при помощи так называемого эквивалента СО? (одна тонна испускаемого метана эквивалентна 23 тоннам испускаемого СО? в шкале времени - 100 лет). В южном полушарии концентрация метана несколько ниже, чем в северном полушарии. Такое различие обычно связывают с меньшей мощностью источников метана в южном полушарии: считается, что основные источники метана расположены на континентах, а океаны не вносят заметного вклада в глобальный поток метана. Продолжительность жизни метана в атмосфере 8-12 лет.

Метан попадает в атмосферу как из естественных, так и из антропогенных источников. Мощность антропогенных источников в настоящее время существенно превышает мощность естественных. К естественным источникам метана относятся болота, тундра, водоемы, насекомые (главным образом термиты), метангидраты, геохимические процессы (извержения вулканов); к антропогенным - рисовые поля, шахты, животные, потери при добыче газа и нефти, горение биомассы, свалки.

Интенсивность выделения метана из болот меняется в широких пределах. Эмиссия метана от западно-сибирских болот, которые являются достаточно типичным представителем северных болот, определенная с применением методов газовой хроматографии, составляет примерно 9 мг метана в ч/м 2 . В среднем эмиссия метана из сибирских болот может достигать 20 Тг/год, что довольно много в сопоставлении с общим потоком метана от болот (50-70 Тг).

Количество крупного рогатого скота в мире - около 1,5 млрд, голов. Одна корова производит в сутки около 250 л чистого метана. Этого количества метана хватит, чтобы вскипятить 20 л воды. В развитых странах на свалки вывозится примерно 1,8 кг мусора в день в расчете на одного человека, в России 0,6 кг соответственно. Примерно 10% этой массы может конвертироваться в метан. Следовательно, в России производится 60 г метана в сутки в расчете на одного человека.

Выше был приведен пример американской технологии анаэробного сбраживания, дающей хорошие результаты по выходу биогаза. Отечественный опыт показывает, что в среднем при разложении одной тонны ТБО может образовываться 100-200 м 3 биогаза. В зависимости от содержания метана низшая теплота сгорания свалочного биогаза составляет 18-24 МДж/м 3 (примерно половину теплотворной способности природного газа).

Ежегодная эмиссия метана со свалок земного шара сопоставима с мощностью таких общеизвестных источников метана, как болота, угольные шахты и т. д. Сегодня остро стоит проблема стабилизации концентрации в атмосфере этого газа, одного из основных планетарных источников парникового эффекта. Поэтому утилизация биогаза бытовых отходов приобретает важнейшее значение для снижения антропогенной эмиссии метана. Кроме того, метан является причиной самовозгорания свалочных отложений, так как при его взаимодействии с воздухом создаются горючие и взрывоопасные смеси, что приводит к сильному загрязнению атмосферы токсичными веществами.

Так как процесс разложения отходов продолжается многие десятки лет, полигон можно рассматривать как стабильный источник биогаза. Эмиссия биогаза с полигона в зависимости от объема свалочных масс может составлять от нескольких десятков л/с (малые полигоны) до нескольких м 3 /с (крупные полигоны). Масштабы и стабильность образования, расположение на урбанизированных территориях и низкая стоимость добычи делают биогаз, получаемый на полигонах ТБО, одним из перспективных источников энергии для местных нужд. Как было показано выше, утилизация биогаза на полигонах ТБО требует инженерного обустройства полигона (создание изолирующего экрана, газовых скважин, газосборной системы и др.). При этом решается основная задача охраны окружающей среды в урбанизированных территориях - обеспечение чистоты атмосферного воздуха и предотвращение загрязнения грунтовых вод.

Образующийся на полигонах биогаз с начала 1980-х гг. интенсивно добывается во многих странах. В настоящее время общее количество используемого биогаза составляет примерно 1,2 млрд. м 3 /год, что эквивалентно 429 тыс. т метана, или 1% его глобальной эмиссии.

В Германии на 409 крупных полигонах городского мусора имеются сборные пункты биогаза, образующегося при разложении органических компонентов мусора. В среднем на полигонах Германии из 1 т мусора вырабатывается около 100 м 3 биогаза. При общем объеме выделения биогаза с полигонов в размере 4 млрд. м 3 /год (что эквивалентно 2 млрд, м 3 природного газа), его полезное потребление составляет около 400 млн. м 3 /год. Биогаз после его очистки используют для получения электрической и тепловой энергии, расходуемой для промышленных целей и в системах отопления. Количество биогаза, генерируемого на свалках, колеблется от 10 до 1200 м 3 /ч. Мощность установок для производства электроэнергии из биогаза составляет от десятка кВт до нескольких тыс. кВт, что позволяет обеспечивать энергией от нескольких домов до небольшого поселка. Нередко биогаз используется в качестве топлива в энергетических установках с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Себестоимость полученной энергии на установках с ДВС примерно в 2-2,5 раза ниже тарифов на электроэнергию для населения.

В США в настоящее время объем добычи биогаза составляет 500 млн. м 3 /год. Значительная часть биогаза поступает на электростанции, работающие на газообразном топливе. Суммарная электрическая мощность установок, работающих на биогазе, составляет около 200 МВт. Кроме того, все чаще осуществляется подача биогаза в коммунальные сети газоснабжения.

В Великобритании добывается около 200 млн. м 3 /год биогаза. Суммарная мощность Био- ЭС Великобритании составляет около 80 МВт.

Во Франции добывается около 40 млн. м 3 /год биогаза. На одной из свалок вблизи Парижа была построена БиоТЭС, использующая биогаз, эмиссия которого составляет 1500 м 3 /сут.

На Украине в городах ежегодно образуется около 10 млн. т бытовых отходов. Более 90% ТБО вывозится на 655 полигонов и свалок, из которых 140 являются пригодными для добычи и использования свалочного газа. Потенциал свалочного газа составляет около 400 млн. м 3 /год.

Утилизация биогаза весьма перспективна и для России, так как около 97% из 30 млн. т ежегодно образующихся отходов захоранивается на полигонах и организованных свалках. В России эксплуатируется более 1300 полигонов ТБО. Ежегодная эмиссия метана со свалок России оценивается в размере 1,1 млрд, м 3 (788 тыс. т), что почти в два раза превышает современное его потребление в мире.

В настоящее время в России свалочный биогаз практически не используется. В рамках российско-голландского проекта в период 1995-1997 гг. на полигонах «Дашковка» и «Каргаши- но», расположенных на территории Московской области, были построены две пилотные установки по добыче и утилизации биогаза. Полученные результаты показывают, что на среднем полигоне Московской области образуется до 600-800 м 3 /ч биогаза, что позволяет вырабатывать электроэнергию в размере 3500-4400 МВт ч/год. Технико-экономические расчеты, выполненные на основе опытных данных, подтвердили эффективность добычи свалочного метана в России, где могут быть осуществлены сотни экономически выгодных проектов.

В Санкт-Петербурге ежегодно образуется около 5 млн. кубометров ТБО, из которых около 80% захоранивается на трех действующих полигонах. Наиболее предпочтительным для утилизации биогаза является полигон ПТО-1 «Волхонский», один из крупнейших в России. На этом полигоне преимущественно захораниваются бытовые отходы, его емкость практически исчерпана, планируется проведение рекультивационных работ, которые можно совместить с созданием системы биогаза. Расчеты показали, что ожидаемой эмиссии метана будет достаточно для работы тепловой электростанции мощностью 2000 кВт в течение 20-25 лет. Кроме того, на территории Ленинградской области имеется 55 организованных свалок, где ежегодно размещается около 1 млн. м 3 ТБО. Несмотря на сравнительно небольшие объемы захоронения отходов, получение биогаза на ряде свалок может оказаться рентабельным из-за высокой стоимости топлива.

Рис. 72.

Анаэробный распад органических веществ на мусорных свалках происходит под действием метаногенной бактерии и приводит к выбросу метана, составляющему 5-20% от общей глобальной эмиссии этого газа в атмосферу.

Как уже указывалось, образование газов на полигонах (свалках) бытовых отходов связано с протеканием анаэробных микробиологических реакций с органическими компонентами бытовых отходов. Эти газы содержат преимущественно метан, диоксид углерода и азот. Кроме того, образуются дурно пахнущие газы - сероводород (H 2 S), меркаптаны (R-SH), альдегиды (R-CHO) в различной концентрации. Газовый состав зависит от длительности хранения и фазы брожения. Аэробная фаза протекает в течение нескольких недель, а анаэробное кислое брожение (гниение) может продолжаться в течение нескольких лет. На рис. 72 представлены отдельные фазы брожения. Удельное выделение газов на полигонах ФРГ оценивается в 60-180 м 3 /т мусора .

Рис. 73. Одна из схем процесса окисления органических отходов