Сколько метана с тонны навоза

ВОЗМОЖНО ЛИ СДЕЛАТЬ БИОГАЗОВУЮ УСТАНОВКУ СВОИМИ РУКАМИ?

Ответить на этот вопрос можно однозначно – да! В самом деле, смонтировать небольшие установки можно и в домашних условиях. Для отступления скажу, что получение биогаза не является каким-то новым изобретением. Еще в древности биогаз в домашних условиях активно получали в Китае. Эта страна до сих пор является лидером по количеству биогазовых установок. Но вот как сделать биогазовую установку своими руками, что для этого необходимо, сколько это будет стоить – все это постараюсь рассказать в этой и последующих статьях.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

Прежде чем приступать к покупке или самостоятельной сборке биогазовой установки необходимо адекватно оценить наличие сырья, его тип, качество и возможность бесперебойной поставки. Далеко не каждое сырье подходит для получения биогаза. Сырье, которое не походит:

сырье с высоким содержанием лигнина; сырье, которое содержит опилки хвойных деревьев, (с наличием смол) с влажностью, превышающей 94% гниющий навоз, а также сырье плесенью либо синтетическими моющими веществами.

Если сырье подходит для переработки, то можно приступать к определению объема биореактора. Общий объем сырья для мезофильного режима (температура биомассы колеблется от 25-40 градусов, наиболее распространенный режим) не превышает 2/3 объема реактора. Суточная доза составляет не более 10% от общего загруженного сырья.

Любое сырье характеризуется тремя важными параметрами:

плотность; зольность; влажность.

Последние два параметра определяются из статистических таблиц. Сырье разбавляется водой из учета достижения 80-92% влажности. Отношение количества воды и сырья может колебаться в соотношении от 1:3 и до 2:1. Это делается, чтобы предать субстрату требуемую текучесть. Т.е. чтобы обеспечить проходимость субстрата по трубам и возможность его перемешивания. Для малых биогазовых установок плотность субстрата допускается принимать равной плотности воды.

Попробуем определить объем реактора на примере.

Допустим, хозяйство имеет 10 голов КРС, 20 свиней и 35 кур. В сутки выходит экскрементов: 55 кг от 1 КРС, от 1 свиньи – 4,5 кг и 0,17 кг от курицы. Объем суточных отходов составит: 10х55+20х4,5+0,17х35 = 550+90+5,95 =645,95 кг. Округлим до 646 кг. Влажность экскрементов свиней и КРС составляет 86%, а куриного помета -75%. Чтобы добиться 85% влажности куриного помета необходимо добавить 3,9 л воды (около 4 кг).

Получается, что суточная доза загрузки сырья составит около 650 кг. Полная загрузка реактора: ОС=10х0,65=6,5 тонн, а объем реактора ОР=1,5х6,5=9,75 м³. Т.е. нам понадобится реактор объемом 10 м³.

РАСЧЕТ ВЫХОДА БИОГАЗА

Таблица расчета выхода биогаза в зависимости от типа сырья.

Тип сырья Выход газа, м³ на 1 кг сухого вещества Выход газа м³ на 1 тонну при влажности 85% Навоз КРС 0,25-0,34 38-51,5 Свиной навоз 0,34-0,58 51,5-88 Птичий помет 0,31-0,62 47-94 Конский навоз 0,2-0,3 30,3-45,5 Овечий навоз 0,3-0,62 45,5-94

Если взять все тот же пример, то перемножив вес каждого типа сырья на соответствующие табличные данные и просуммировав все три составляющие, получим выход биогаза равный приблизительно 27-36,5 м³ в сутки.

Для того чтобы сориентироваться в требуемом кол-ве биогаза скажу, что среднестатистической семье из 4 человек для приготовления пищи понадобится 1,8-3,6 м³. Чтобы обогреть помещение в 100 м² – 20 м³ биогаза в сутки.

УСТАНОВКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ РЕАКТОРА

быть водо- и газонепроницаемым. В реакторе недолжно происходить смешивание воздуха с газом. Между крышкой и корпусом должна быть прокладка из герметичного материала; быть теплоизолированным; выдерживать все нагрузки (давление газа, вес и т.д.); иметь люк для проведения ремонтных работ.

Установка и выбор формы реактора производится для каждого хозяйства индивидуально.

Тема изготовления биогазовой установки своими руками очень обширна. Поэтому в этой статье я на этом остановлюсь. В следующей статье поговорим о выборе остальных элементах биогазовой установки, ценах и где ее можно приобрести.

Вся информация по самодельному изготовлению биогазовых установок черпается из различных источников и абсолютно бесплатно будет представлена в заключительной статье.

Источник

Получение биогаза из навоза: технология, необходимое оборудование, плюсы и минусы применения такого топлива

Биотопливо или биогаз – это смесь различных газов, которая получается в результате деятельности особых микроорганизмов (бактерий и археев), питающихся различной органикой, в том числе навозом.

После его получения навоз или помет превращаются в качественное удобрение, содержащее калий, азот, фосфор и почвообразующие кислоты.

Плюсы переработки навоза в биотопливо очевидны, это:

• снижение выброса парниковых газов;
• сокращение расхода невозобновляемых видов топлива;
• очистка экскрементов от гельминтов, а также различных возбудителей болезней;
• возможность утилизации кухонных отходов.

О других способах утилизации и переработки навоза мы уже рассказывали в статье Переработка навоза.

Далее мы расскажем:

• о технологии получения из навоза биогаза;
• о том, что ускоряет или замедляет эти процессы, а также влияет на общий объем топлива;
• какие меры безопасности должны приниматься;
• как используют очищенное топливо;
• насколько производство биогаза рентабельно.

Особенности процесса

Навоз, как и помет, является не только экскрементами животных, но и очень сложным веществом.

Оно наполнено различными микроорганизмами, которые участвуют во многих химических и физических процессах.

Во время нахождения в кишечнике они перерабатывают пищу, разрушают сложные органические цепочки, превращая их в простые вещества, пригодные для усваивания через стенки кишечника.

При этом численность и активность микроорганизмов корректируется желудочным соком и выделяемыми кишечником веществами.

После попадания в биореактор их часть начинает усиленно поглощать кислород, выделяя в процессе своей жизнедеятельности различные газы. Именно они расщепляют сложные органические соединения, превращая их в вещества, пригодные для питания метанообразующих микроорганизмов.

Этот процесс называют гидролизом или брожением. Когда уровень кислорода падает до критического значения, эти микроорганизмы гибнут и перестают участвовать в происходящих процессах, а их работу выполняют анаэробные археи, то есть не нуждающиеся в кислороде.

Большинство людей считает метанообразующие микроорганизмы бактериями, подразумевая под этим их маленький размер, но ученые с недавнего времени (1990 год) относят их к метаногенам, то есть археобактериям (археям), питающимся водородом и окисью углерода (угарным газом).

Они отличаются от бактерий по своему строению, но сопоставимы с ними по размерам. Поэтому многие производители удобрений до сих пор называют их бактериями, ведь на уровне обычного пользователя устройств для получения биотоплива оба названия одинаково правильны.

Метанобразующие микроорганизмы питаются расщепленной органикой, превращая ее в сапропель (донный ил, состоящий из смеси органических и неорганических веществ, среди которых есть гумусовые кислоты, являющиеся органической основой почвы) и воду с выделением метана.

Поскольку в процессе перегнивания участвуют не только метанобразующие микроорганизмы, то выделяемый ими газ состоит не только из метана, а также включает в себя:

• углекислый газ;
• сероводород;
• азот;
• воздушно-водную дисперсию.

Доля каждого газа зависит от количества и активности соответствующих микроорганизмов, на жизнедеятельность которых влияют многие факторы.

• размер твердых фракций содержимого биореактора;
• процентное соотношение жидких/твердых органических фракций;
• исходный состав материала;
• температура;
• остаток подходящих для этих микроорганизмов питательных веществ на текущий момент.

Деятельность метанообразующих микроорганизмов

Активность всех микроорганизмов, участвующих в процессе производства биотоплива, напрямую зависит от температуры среды, однако наименьшая зависимость у гнилостных микроорганизмов.

Несмотря на то, что часть из них также выделяет метан, общее количество этого газа сокращается по мере снижения температуры, зато возрастает количество других газов.

При температуре 5–25 градусов действуют лишь психрофильные метаногены, отличающиеся минимальной производительностью. Остальные процессы также замедляются, однако гнилостные бактерии довольно активны, поэтому смесь довольно быстро начинает гнить, после чего в ней сложно запустить процессы производства метана.

Нагрев до температуры 30–42 градуса (мезофильный процесс) увеличивает активность мезофильных метаногенов, обладающих не слишком высокой производительностью, а их основные конкуренты – гнилостные бактерии чувствуют себя довольно комфортно.

При температуре 54–56 градусов (термофильный процесс) вступают в действие термофильные микроорганизмы, обладающие максимальной способностью производить метан, из-за чего не только увеличивается выход биогаза, но и возрастает доля метана в нем.

Кроме того, резко снижается активность их основных конкурентов – гнилостных микроорганизмов, в связи с чем снижаются расходы расщепленной органики на производство других газов и ила.

Любые метаногены помимо газа выделяют еще и тепловую энергию, однако эффективно поддерживать температуру на комфортном уровне могут лишь мезофильные бактерии. Термофильные микроорганизмы выделяют меньше энергии, поэтому для их активного существования субстрат необходимо подогревать до оптимальной температуры.

Как увеличить выход?

Поскольку производителями метана являются метаногены, то чтобы увеличить выход газа, необходимо создать максимально комфортные условия для этих микроорганизмов.

Этого можно достичь лишь комплексно, влияя на все этапы от сбора и подготовки навоза до сброса отработанного материала и способов очистки газа.

Метаногены не могут эффективно переваривать твердые фрагменты, поэтому навоз/помет, а также другие органические вещества, такие как подстилка, скошенная трава и прочие необходимо максимально измельчать.

Чем меньше размер крупных фрагментов, а также чем меньше их процентное содержание, тем больше материала может быть переработано бактериями. Кроме того, очень важно достаточное количество воды, поэтому навоз или помет обязательно разводят водой до определенной консистенции.

Должен быть соблюден баланс между метаногенами и бактериями, разлагающими органику на простые составляющие, в особенности расщепляющими жиры.

Если будет избыток метаногенов, то они быстро выработают доступные питательные вещества, после чего их производительность резко упадет, зато возрастет активность гнилостных микроорганизмов, которые перерабатывают органику в гумус другим способом.

Если же будет избыток бактерий, разлагающих органику, то доля углекислого газа в биогазе резко возрастет, из-за чего после очистки готового продукта будет заметно меньше.

В неподвижном состоянии содержимое биореактора расслаивается по плотности, из-за чего лишь часть метанообразующих микроорганизмов получает достаточное количество питания, поэтому необходимо периодически перемешивать помет/навоз в биореакторе.

Образующийся в итоге ил обладает более высокой плотностью, чем водный раствор навоза, поэтому оседает на дно, откуда его необходимо удалять, чтобы освободить место для новой партии экскрементов.

Очистка готового продукта снижает объем биогаза, зато резко повышает его теплотворную способность. Чтобы не потерять готовый биогаз, его необходимо закачивать в заранее подготовленные хранилища (газгольдеры), из которых он затем будет поступать к потребителям.

Технология производства и оборудование

Замкнутый технологический цикл, подразумевающий минимальное использование внешней энергии, включает в себя:

• сбор и подготовку навоза;
• загрузку и обслуживание биореактора;
• слив и утилизацию отходов;
• очистку газа;
• генерацию электрической и тепловой энергии.

Сбор и подготовка материала

Собранные в навозоприемнике экскременты содержат много крупных фрагментов, поэтому их измельчают с помощью любых подходящих измельчителей. Нередко эту функцию выполняет насос, перекачивающий материал в биореактор.

Вручную или с помощью автоматизированных систем определяют уровень влажности продукта и при необходимости добавляют в него чистую нехлорированную воду.

Если для увеличения объема биогаза в сырье добавляют зеленую массу (скошенную траву, листву и т. д.), то ее тоже предварительно измельчают с помощью специального оборудования.

Загрузка и обслуживание биореактора

Измельченный и при необходимости наполненный зеленой массой субстрат фильтруют, затем закачивают в емкость, расположенную неподалеку от биореактора.

В ней готовый к использованию раствор нагревают до необходимой температуры (зависит от режима брожения) и после заполнения сливают в биореактор, который со всех сторон окружен водяной рубашкой.

Такой способ обогрева обеспечивает одинаковую температуру во всех слоях содержимого, а для нагрева теплоносителя (воды) используют часть произведенного газа (во время первых загрузок подогревать теплоноситель придется за счет сторонних источников энергии). Однако возможны и другие способы нагрева содержимого.

1–3 раза в сутки содержимое перемешивают, чтобы избежать сильного расслоения и повысить эффективность переработки навоза в газ.

В верхней части реактора скапливается выработанный бактериями газ, из-за чего появляется небольшое положительное давление. Отбор газа в газгольдер происходит периодически по мере достижения определенного давления или постоянно, но в этом случае количество отобранного газа регулируют, чтобы сохранять необходимое давление.

Слив и утилизация отходов

Полностью перегнивший материал, благодаря более высокой плотности оседает на дно реактора, а между ним и наиболее активным слоем появляется прослойка отработанной жидкости. Поэтому перед перемешиванием ее удаляют вместе с частью ила, которые затем разделяют.

Оба вида отходов являются сильными натуральными удобрениями — жидкость ускоряет развитие растений, а ил улучшает структуру/качество почвы и содержит гуминовые вещества.

Поэтому оба вида отходов можно продавать, а также использовать на собственных полях. Если отходы не планируется сразу разделять на фракции, то их необходимо периодически перемешивать, чтобы ил не слежался, иначе его трудно будет извлечь во время опорожнения емкости.

Очистка газа

Для очистки биогаза применяют несколько технических решений, каждое из которых нацелено на удаление из его состава определенного вещества. Воду удаляют с помощью конденсации, для чего продукт сначала нагревают, затем проводят через холодную трубу, на стенках которой и оседают капельки воды.

Сероводород и углекислый газ удаляют с помощью сорбентов при высоком давлении. Правильно построенная линия очистки поднимает содержание метана до уровня 93–98%, что превращает биогаз в очень эффективное горючее, способное конкурировать с другим газообразным топливом.

Сделать серьезное оборудование для очистки в домашних условиях невозможно, тем не менее, можно пропускать готовый продукт через воду при высоком давлении, благодаря чему двуокись углерода будет превращаться в углекислоту.

При этом воду нужно постоянно менять, ведь ее способность впитывать углекислый газ ограничена. Отработанную воду необходимо нагреть (углекислый газ выйдет), после чего ее можно снова использовать для очистки. Но даже таким способом очищать готовый продукт должен опытный химик, способный подобрать нужные температуры и давление.

Генерация тепловой и электрической энергии

Благодаря высокой теплотворной способности очищенный биогаз хорошо подходит для питания электрогенераторов и различных нагревательных устройств.

Это снижает выход готового газа, но позволяет обойтись без дополнительных источников энергии за исключением первых нескольких дней, пока биореактор выйдет на полную мощность.

Для перевода двигателей внутреннего сгорания на метан необходимо установить правильный угол зажигания, ведь октановое число этого топлива составляет 105–110 единиц. Это можно сделать как механическими способами (повернув трамблер), так и изменив программу электронного блока управления.

Если же двигатель будет работать только на метане, без использования бензина, то его необходимо форсировать, повышая степень сжатия.

Это не только увеличит КПД мотора, позволив более бережно расходовать газ, но и сделает двигатель более долговечным, ведь чем меньше степень сжатия, тем выше температура в камере сгорания, а значит, выше вероятность прогорания поршней или клапанов.

Для перевода на биогаз отопительных приборов, включая водогрейные котлы, необходимо подобрать жиклер правильного размера, чтобы количество производимой тепловой энергии соответствовало режиму работы. Это особенно важно для систем с автоматическим управлением, действующих по определенной программе.

Объем биореактора

Объем биореактора рассчитывают, исходя из цикла полной переработки органики, который составляет для:

• мезофильного процесса 12–30 дней;
• термофильного процесса 3–10 дней.

Объем реактора определяют следующим образом – умножают суточный выход навоза, разведенного до необходимой влажности (90%), на максимальное количество дней, необходимое для полного перегнивания, затем полученный результат увеличивают на 10–30%.

Такое увеличение необходимо для создания первого газгольдера, в котором будет накапливаться выработанный газ.

Производительность

Несмотря на то, что при любом температурном режиме общий выход газа примерно одинаков, есть существенная разница — получить его за 3–5 дней при максимальной производительности или собирать его в течение месяца.

Поэтому поднять производительность можно лишь с помощью увеличения объема перерабатываемого материала, а значит и использования более крупного биореактора.

Перевод на термофильный процесс позволяет увеличить производительность даже при сокращении объема реактора, однако в этом случае резко возрастают издержки, связанные с нагревом смеси.

Приблизительные параметры выхода биогаза из разных видов навоза/помета, а также других материалов рассмотрим ниже в таблицах. Для перевода указанных значений в тонны готовой смеси влажностью 90% данные из второго столбца нужно умножать на 80–120.

Такой разброс связан с:

• особенностями кормления животных или птиц;
• материалом и наличием подстилки;
• эффективностью измельчения.

Отходы животноводства и птицеводства

Бытовые отходы

Растительность

Оценка рентабельности

При оценке рентабельности необходимо учитывать все виды доходов и расходов, в том числе непрямые.

К примеру, выработка электроэнергии для собственных нужд позволяет отказаться от ее покупки, а в некоторых случаях еще и от инвестиций в коммуникации, что можно отнести к непрямым доходам.

Один из видов непрямых доходов – отсутствие претензий со стороны жителей прилегающих земель, вызванных неприятным запахом, который издает сваленный в кучи навоз. Ведь законы РФ гарантируют человеку право дышать чистым воздухом, поэтому при обращении в суд такой истец вполне может выиграть процесс и обязать производителя навоза за свой счет устранять неприятный запах.

Сваливание навоза или помета в кучи не только портит воздух, но также представляет серьезную угрозу для почвы и грунтовых вод. Гниющая естественным образом куча органики резко увеличивает кислотность почвы и вытягивает из нее азот, поэтому даже через несколько лет на этом месте сложно вырастить хоть что-нибудь.

В любых экскрементах содержатся гельминты и возбудители различных болезней, которые, попав в грунтовую воду, могут проникнуть в водопровод или колодец, из-за чего возникнет угроза для животных и людей.

Поэтому возможность рециклинга опасных отходов в относительно безопасные ил и техническую воду можно отнести к очень крупным непрямым доходам.

К непрямым расходам можно отнести потребление газа для выработки электроэнергии и нагрева теплоносителя. Кроме того, на рентабельность влияет возможность продажи отходов переработки, то есть высушенного или влажного шлама (ила) и очищенной технической воды, насыщенной различными микроэлементами.

Многое зависит от размеров капитальных вложений, ведь можно купить все оборудование у известной фирмы и по довольно высокой цене, а можно часть его сделать самостоятельно.

Не менее важным является и уровень автоматизации, ведь чем он выше, тем меньше необходимо работников, а значит, меньше расходов на зарплату и уплату налогов за них.

При правильном выборе оборудования и грамотной организации всего процесса получение биогаза окупается за несколько лет даже без продажи очищенного биогаза.

Ведь к доходам можно отнести:

• заметное снижение расходов, связанных с утилизацией экскрементов;
• повышение плодородности земель за счет удобрения технической водой и шламом;
• снижение затрат на покупку энергоносителей;
• снижение затрат на приобретение удобрений.

Меры безопасности

Производство биогаза – это очень опасный процесс, ведь приходится работать с токсичными и взрывоопасными материалами. Поэтому повышенные меры безопасности необходимо принимать на всех этапах – от разработки проекта оборудования до транспортировки очищенного газа к конечным потребителям и утилизации отходов.

По этой причине разработку проекта биореактора и его изготовление лучше доверить профессионалам. Если же его приходится делать самостоятельно, то желательно за основу брать серийно выпускаемые устройства и тщательно проверять их герметизацию.

Даже небольшая щель или трещина в реакторе или газгольдере приведет к подсосу воздуха и создаст высокую вероятность образования взрывоопасной смеси из метана и кислорода.

Кроме того, попавший внутрь кислород негативно повлияет на активность метаногенов, из-за чего суточная выработка метана снизится, а при достаточном количестве кислорода полностью прекратится. Утечка метана или неочищенного газа в помещении создаст угрозу отравления и высокую вероятность взрыва.

Организация и техническое исполнение всего процесса должны полностью соответствовать этим документам:

Плюсы и минусы по сравнению с другими видами топлива

Для того, чтобы сравнивать между собой различные виды топлива и тем более разные виды энергий, необходимо определить, какие именно параметры подлежат сравнению. При этом сравнивать стоимость некорректно, ведь нормальной цена биогаза станет только после периода окупаемости.

Сравнивать по теплотворной способности также некорректно, потому что далеко не всегда топливо с меньшей теплотворной способностью оказывается хуже более теплотворного.

К примеру, дрова обладают меньшей теплотворной способностью, чем солярка, но во многих случаях они оказываются более подходящим видом топлива.

Поэтому сравнивать разные виды топлива и энергии можно по таким параметрам, как:

1. Пригодность для использования в автомобилях, электрогенераторах и системах отопления (в баллах, 1 балл – подходит для всех, 2 балла – для некоторых, 3 балла – для любого одного).
2. Необходимость создавать специальные условия для хранения (1 балл – можно в любых условиях, 2 балла – нужны специальные емкости, 3 балла – помимо специальных емкостей необходимо дополнительное оборудование, 4 балла – хранение невозможно).
3. Сложность переделки оборудования под другое топливо или энергию (1 балл – минимальные переделки, которые сможет сделать даже человек без опыта; 2 – переделки, доступные более-менее разбирающемуся в вопросе любителю и не требующие какого-то узкоспециализированного оборудования, 3 балла – необходима капитальная переделка).
4. Негативное влияние на экологию (в баллах, 1 – наименьшее, 2 балла – среднее, 3 балла – максимальное);
5. Является ли топливо или энергия возобновляемым (в баллах, 1 балл – полностью (к примеру, ветер или солнечный свет); 2 балла – условно, то есть в определенных условиях, или после каких-то действий, 3 балла – нет).
6. Зависит ли от рельефа местности, времени года и погоды (в баллах, 1 балл – нет, 2 балла – частично, 3 балла – зависит от всего).

Получение разрешения

Несмотря на то, что навоз относится к третьему классу опасности, то есть умеренно опасным отходам, для утилизации необходимо получать лицензию.

Но это относится лишь к тем случаям, когда биогаз или полученную из него электроэнергию собираются продавать.

Кроме того, лицензирование необходимо, если метантенк будет работать на покупном сырье. Если же полученный биогаз будет использован только для нужд того, кто его производит, то нет необходимости получать лицензию.

Кроме того, необходимо получить разрешение на строительство, а также согласовать проект со следующими ведомствами:

• Ростехнадзором;
• Пожарной Инспекцией;
• СЭС;
• Газовой службой.

Иногда владельцы мелких и не очень мелких подсобных хозяйств пренебрегают согласованиями и разрешениями, ведь они строят все на своей земле и никому не продают продукты переработки.

Такая позиция чревата серьезным штрафом, ведь биогазовые установки относят к опасным производствам, поэтому они должны быть внесены в государственный реестр опасных производственных объектов Ростехнадзора.

Кроме того, подобные объекты нужно застраховать на случай аварии, а перед запуском их должны проверить специалисты соответствующих ведомств.

Тем не менее, владельцы небольших домашних установок пренебрегают регистрацией, потому что стоимость разрешений сводит на нет все преимущества такого способа утилизации навоза.

Однако делают они это на свой страх и риск, потому что в случае любых чрезвычайных происшествий им придется не только заплатить штрафы за отсутствие сведений в реестре, но и отвечать за все последствия.

Форумы

Мы подготовили список интернет-форумов, где пользователи обсуждают различные вопросы, связанные с получением биогаза из навоза и необходимым для этого оборудованием:

• Фермер RU;
• Фермер BY;
• Abok;
• ИМХО Дом;
• Технический форум на ykt.ru;
• Агрофорум;
• Веселое подворье;
• Бизнес форум Выгодное Дело;
• РМНТ.

Видео по теме

На видео показаны все этапы процесса переработки навоза в биогаз:

Вывод

Биогаз – это продукт переработки навоза и помета, а также хорошая альтернатива другим видам топлива. Несмотря на необходимость серьезных капитальных вложений, а также оформления множества разрешений и согласований, его производство позволит с пользой утилизировать отходы жизнедеятельности животных и птиц.

Источник