Биогаз: и греет и варит
Биогаз: и греет и варит
Что такое
биогаз?
В последнее
время всё большее внимание привлекают нетрадиционные - с технической точки зрения
- источники энергии: солнечное излучение, морские приливы и волны и многое
другое. Некоторые из них - например ветер - находили широкое применение и в
прошлом, а сегодня переживают второе рождение. Одним из «забытых» видов сырья
является и биогаз, использовавшийся ещё в Древнем Китае и вновь «открытый» в
наше время.
Что же
такое биогаз? Этим термином обозначают газообразный продукт, получаемый в
результате анаэробной, то есть происходящей без доступа воздуха, ферментации
(перепревания) органических веществ самого разного происхождения. В любом
крестьянском хозяйстве в течение года собирается значительное количество
навоза, ботвы растений, различных отходов. Обычно после разложения их
используют как органическое удобрение. Однако мало кто знает, какое количество
биогаза и тепла выделяется при ферментации. А ведь эта энергия тоже может
сослужить хорошую службу сельским жителям.
Биогаз -
смесь газов. Его основные компоненты: метан (СН/0 - 55-70% и углекислый газ (COi) - 28-43%, а также в
очень малых количествах другие газы, например - сероводород (HiS).
В среднем I кг органического вещества,
биологически разложимого на 70%, производит 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого
газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг неразложимого остатка.
Факторы, влияющие на производство биогаза
Поскольку
разложение органических отходов происходит за счёт деятельности определенных
типов бактерий, существенное влияние на него оказывает окружающая среда. Так,
количество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры:
чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Именно
поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с
тёплым климатом. Однако применение надёжной теплоизоляции, а иногда и
подогретой воды позволяет освоить строительство генераторов биогаза в районах,
где температура зимой опускается до -20°. Существуют определенные требования и
к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать
биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду
(90-94%). Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих
действию бактерий: например, мыла, стиральных порошков, антибиотиков.
Для
получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы,
навоз, сточные воды и т. п. В процессе ферментации жидкость в резервуаре имеет
тенденцию к разделению на три фракции. Верхняя - корка, образованная из крупных
частиц, увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может
стать достаточно твёрдой, и будет мешать выделению биогаза. В средней части
ферментатора скапливается жидкость, а нижняя, грязеобразная фракция выпадает в
осадок.
Бактерии
наиболее активны в средней зоне. Поэтому содержимое резервуара необходимо
периодически перемешивать - хотя бы один раз в сутки, а желательно - до шести
раз. Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений,
гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса), под напором
пневматической системы (частичная рециркуляция биогаза) или с помощью различных
методов самоперемешивания.
Установки для получения биогаза
В Румынии
генераторы биогаза получили широкое распространение. Одна из первых
индивидуальных установок (рис. 1А) была введена в эксплуатацию ещё в декабре
1982 года. С тех пор она успешно обеспечивает газом три соседствующие семьи,
имеющие каждая по обычной газовой плите с тремя конфорками и духовкой.
Ферментатор
находится в яме диаметром около 4 м и глубиной 2 м (объём примерно 25 м3),
выложенной изнутри кровельным железом, сваренным дважды: сначала электрической
сваркой, а затем, для надёжности, газовой. Для антикоррозионной защиты
внутренняя поверхность резервуара покрыта смолой. Снаружи верхней кромки
ферментатора сделана кольцевая канавка из бетона глубиной примерно 1 м,
выполняющая функцию гидрозатвора; в этой канавке, заполненной водой, скользит
вертикальная часть колокола, закрывающего резервуар. Колокол высотой около 2,5
м - из листовой двухмиллиметровой стали. В верхней его части и собирается газ.
Автор этого
проекта выбрал вариант собирания газа в отличие от других установок с помощью
трубы, находящейся внутри ферментатора и имеющей три подземных ответвления - к
трем хозяйствам. Кроме того, вода в канавке гидрозатвора проточная, что
предотвращает обледенение в зимнее время.
Ферментатор
загружается примерно 12 м свежего навоза, поверх которого выливается коровья
моча (без добавления соды). Генератор начинает работать через 7 дней после
наполнения.
Похожую
компоновку имеет ещё одна установка (рис. 16). Её ферментатор сделан в яме, имеющей
квадратное поперечное сечение размерами 2x2 и глубиной примерно 2,5 м. Яма
облицована железобетонными плитами толщиной 10-12 см, оштукатурена цементом и
покрыта для герметичности смолой. Канавка гидрозатвора глубиной около 50 см
также бетонная, колокол сварен из кровельного железа и может на четырёх «ушках»
свободно скользить по четырём вертикальным направляющим, установленным на
бетонном резервуаре. Высота колокола примерно 3 м, из которых 0,5 м погружено в
канавку.
При первом
наполнении в ферментатор было загружено 8 м3 свежего коровьего навоза, а сверху
залито примерно 400 л коровьей мочи. Через 7-8 дней установка уже полностью
обеспечивала владельцев газом.
Аналогичную
конструкцию имеет и генератор биогаза, рассчитанный на прием 6 м3 смешанного
навоза (от коров, овец и свиней). Этого оказалось достаточно, чтобы обеспечить
нормальную работу газовой плиты с тремя конфорками и духовкой.
Ещё одна
установка отличается любопытной конструктивной деталью: рядом с ферментатором
уложены присоединённые к нему с помощью Т-образного шланга три большие
тракторные камеры, соединенные между собой (рис. 2). В ночное время, когда
биогаз не используется и накапливается под колоколом, возникает опасность, что
последний из-за избыточного давления опрокинется. Резиновый резервуар служит
дополнительной ёмкостью. Ферментатора размером 2x2x1,5 м вполне достаточно для
работы двух горелок, а при увеличении полезного объема установки до 1 м3 можно
получить количество биогаза, достаточное и для обогрева жилища. Особенность
этого варианта установки - устройство колокола 0138 см и высотой 150 см из
прорезиненного полотна, применяемого для изготовления надувных лодок.
Ферментатор представляет собой металлический резервуар 0140x300 см и имеет
объем 4,7 м3. Колокол вводится в находящийся в ферментаторе навоз на глубину не
менее 30 см для обеспечения гидравлического заслона выходу биогаза в атмосферу.
В верхней части разбухающего резервуара предусмотрен кран, соединенный со
шлангом; по нему газ поступает к газовой плите с тремя конфорками и колонке для
нагрева воды. Чтобы обеспечить оптимальные условия для работы ферментатора,
навоз смешивается с горячей водой. Наилучшие результаты установка показала при
влажности сырья 90% и температуре 30-35°.
Для
обогрева ферментатора используется и эффект теплицы. Над ёмкостью сооружается
металлический каркас, который покрывают полиэтиленовой пленкой: при
неблагоприятных погодных условиях она сохраняет тепло и позволяет заметно
ускорить процесс разложения сырья.
В Румынии
генераторы биогаза используются и в государственных или кооперативных
хозяйствах. Вот один из них. Он имеет два ферментатора ёмкостью по 200 м3,
закрытых каркасом с полиэтиленовой плёнкой (рис. 3). Зимой навоз обогревается
горячей водой. Производительность установки составляет 300-480 м3 газа в день.
Такого количества вполне хватает для обеспечения всех потребностей местного
агропромышленного комплекса.
Практические советы
Как уже
отмечалось, решающую роль в развитии процесса ферментации играет температура:
нагрев сырья с 15 до 20° может вдвое увеличить производство энергоносителя.
Поэтому часть генераторов имеет специальную систему подогрева сырья, однако
большинство установок не оборудовано ею; они используют лишь тепло, выделяемое
в процессе самого разложения органических веществ. Одним из важнейших условий
нормальной работы ферментатора является наличие надёжной теплоизоляции. Кроме
того, необходимо свести к минимуму потери тепла при очистке и наполнении
бункера ферментатора.
Необходимо
помнить также о необходимости обеспечения биохимического равновесия. Иногда
темпы производства бактериями кислот выше, чем темпы их потребления бактериями
второй группы. В этом случае кислотность массы растет, а выработка биогаза
снижается. Положение может быть исправлено либо уменьшением ежедневной порции
сырья, либо увеличением его растворимости (по возможности, горячей водой),
либо, наконец, добавкой нейтрализующего вещества - например известкового
молока, стиральной или питьевой соды.
Производство
биогаза может уменьшиться за счёт нарушения соотношения между углеродом и
азотом. В этом случае в ферментатор вводят вещества, содержащие азот, - мочу
или в небольшом количестве соли аммония, используемые обычно в качестве
химических удобрений (50-100 г на 1 м3 сырья).
Следует
помнить, что высокая влажность и наличие сероводорода (содержание которого в
биогазе может достигать 0,5% стимулируют повышенную коррозию металлических
частей установки. Поэтому состояние всех остальных элементов ферментатора
следует регулярно контролировать и в местах повреждении тщательно защищать:
лучше всего свинцовым суриком - в один или два слоя, а затем ещё двумя слоями
любой масляной краски.
В качестве
трубопровода для транспортировки биогаза от выпускного патрубка в верхней части
колокола установки до потребителя могут использоваться как трубы (металлические
или пластмассовые), так и резиновые шланги. Их желательно вести в глубокой
траншее, чтобы исключить разрывы из-за замерзания зимой конденсировавшейся
воды. Если же транспортировка газа с помощью шланга осуществляется по воздуху,
то для отвода конденсата необходимо специальное устройство. Самая простая схема
такого приспособления представляет собой U-образную трубку, присоединённую к шлангу в самой нижней его
точке (рис. 4). Длина свободной ветви трубки (х) должна быть больше, чем
выраженное в миллиметрах водяного столба давление биогаза. По мере того как в
трубку стекает конденсат из трубопровода, вода выливается через её свободный
конец без утечки газа.
В верхней
части колокола целесообразно также предусмотреть патрубок для установки
манометра, чтобы по величине давления судить о количестве накопленного биогаза.
Опыт
эксплуатации установок показал, что использование в качестве сырья смеси разных
органических веществ даёт больше биогаза, чем при загрузке ферментатора одним
из компонентов. Влажность сырья рекомендуется немного уменьшать зимой (до
88-90%) и повышать летом (92-94%). Вода, которую используют для разбавления,
должна быть теплой (желательно 35-40°). Сырьё подаётся порциями, по крайней
мере один раз в сутки. После первой загрузки ферментатора нередко сначала
вырабатывается биогаз, который содержит более 60% углекислого газа и поэтому не
горит. Этот газ удаляют в атмосферу, и через 1-3 дня установка начнет
функционировать нормально.
По
материалам журнала «Техниум», СРР
Рис. 1.
Схема установки для получения биогаза: А - с коническим колоколом, Б - с
пирамидальным. 1 - яма ферментатора с сырьём, 2 -колокол, 3 - выпускной
патрубок, 4 - трубопровод (шланг) подачи биогаза, 5 - канавка гидрозатвора с
водой.
Рис. 2.
Разбухающий резервуар из тракторных камер.
Рис. 3.
Схема установки для получения биогаза повышенной производительности. 1 -
трубопровод выхода биогаза, 2 - колокол, 3 -корпус ферментатора, 4 - сырье, 5 -
система подогрева сырья, 6 - раскосы металлической конструкции колокола, 7 -
направляющая труба колокола, 8 -металлический каркас теплицы, 9 - трубопровод подачи
горячей воды.
Рис. 4.
Схема устройства для отвода конденсированной воды: 1 - шланг подачи биогаза, 2
- U-образная трубка, 3
- конденсированная вода.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.az-buki.com