Биогаз в домашних условиях

Главное меню » Биогаз в домашних условиях

biogaz-v-domashnih-usloviyah.jpgВ последнее время все 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 еще 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 житепям.

Биогаз — смесь газов. Его основные компоненты: метан (CH4 — 55—70% н углекислый газ (СО2] — 28—43%, в также в очень малых количествах дру­гие газы, например — сероводород [H2S].

В среднем 1 кг органического веще­ства, биологически разложимого на 70%,   производит 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды м 0,3 кг неразложимого остатка.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОИЗВОДСТВО БИОГАЗА

Поскольку разложение органических отходов происходит за счет деятель­ности определенных типов бактерий, существенное влияние на него оказы­вает окружающая среда. Так, количе­ство вырабатываемого газа в значи­тельной степени згвисит от температу­ры: чем теплее, тем выше скорость и степень  ферментации органического сырье. Именно поэтому, вероятно, пер­вые установки для получения биогаза появились в странах с теплым клима­том. Однако  применение  надежной теплоизоляции, а иногда и подогретойводы 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 вбльшом 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 твердой 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

biogaz-v-domashnih-usloviyah-1

В Румынии генераторы биогаза полу­чили широкое распространение. Одна из первых индивидуальных установок (рис. 1А) была введена в эксплуатацию еще 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 (объем примерно 25 м3), выложенной изнутри кровельным железом, сварен­ным дважды: сначала электрической сваркой, а затем, для надежности, 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 а зимнее время.

Ферментатор загружается примерно 12 м3 свежего навоза, поверх которого выливается коровья моча (без добав­ления воды). Генератор начинает рабо­тать через 7 дней после наполнения.

Похожую компоновку имеет еще одна установка (рис. 1Б). Ее ферментатор сделан в яме, имеющей квадратное поперечное сечение размерами 2х2 и глубиной примерно 2,5 м. Яма обли­цована железобетонными плитами тол­щиной 10—12 см, оштукатурена цемен­том и покрыта для герметичности смопой. Канавка гидрозатвора глубиной около 50 см также бетонная, колокол сварен из кровельного железа и мо­жет на четырех «ушках» свободно скользить по четырем вертикальным направляющим, установленным на бе­тонном резервуаре. Высота колокола примерно 3 м, из которых 0,5 м по­гружено в канавку.

При первом наполнении в фермен-тзтор было загружено 8 м3 свежего коровьего навоза, а сверху залито при­мерно 400 л коровьей мочи. Через 7— 3 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.

 

biogaz-v-domashnih-usloviyah-2


В Румынии генераторы биогаза используются и в государственных или кооперативных хозяйствах. Вот один из них. Он имеет два ферментатора ем­костью по 200 м3, закрытых каркасом с полиэтиленовой пленкой (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 генс-ра’-торов имеет специальную систему подо­грева сырья, однако большинство уста­новок не оборудовано ею, они исполь­зуют лишь тепло, выделяемое в процес­са самого разложения органических ве­ществ. Одним из важнейших условий нормальной работы ферментатора является наличие надежной 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 счет 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 можат достигать 0,5%) стимулируют повышенную корро­зию металлических частей установки. Поэтому состояние всех остальных эле­ментов ферментатора следует регулярно контролировать и з местах повреждений тщательно защищать: лучше всего свин­цовым суриком — в один или два слоя, а затем еще 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, присоединенную 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 ее 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 да­ет 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°). Сырье подается 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

ЕЩЁ РАЗ про БИОГАЗ

Имеющийся опыт свидетельствует, что в среднем на отоп­ление дома площадью 40—50 м2 и четырехконфорочную плиту необходимо в час 3,0—3,5 м3 биогаза При оборудо­вании местной системы обогрева можно использовать ши­роко применяемый автоматический отопительный газовый водонагреватель АОГВ-11, 3-3-У

Важный фактор, определяющий интенсивность газообразо­вания, — температура процесса Не следует забывать, что в статье «Биогаз и греет, и варит» описан опыт, относящийся к стране с достаточно мягким климатом Видимо, для более суровых климатических условий подогрев нужнее, возможно, даже и в установившемся процессе А если подогрев преду­сматривать, то представляется целесообразным использо­вать его как эффективный регулирующий фактор, за счет которого можно увеличить газообразование в несколько раз (Об еще одном управляющее факторе — перемешивании — скажем далее )

Теперь, учитывая совместное влияние названных факторов на мощность установки, можно дать некоторые рекомен­дации

При выборе размеров ферментатора можно ориентиро­ваться на варианты, с учетом более сурового климата — стоит добавить в уста­новку нагревательный элемент, например, в виде змеевиков Подобная эксплуатация сразу позволит выявить влияние на­грева на производительность устройства. Для систематизации доводочных работ рекомендуется завести тетрадь (не пола­гаясь на память) и записывать все изменения — как вводи­мые, так и получаемые Практика показывает, что каждые 10° дополнительного нагрева биомассы удваивают выход газа с 1 м3 ферментатора

Вот некоторые данные для тех, кто собирается заняться проектированием установки. Из 1 т сырья получается 80— 100 м2 газа Его теплотворная способность примерно 5500— 6000 ккал/м3. Для сравнения бытовой газ не намного кало­рийнее — всего 7000 ккал/м 3

Теперь о биологии процесса

Метанопроизводящие бак­терии имеются в самом сырье Культуры их развиваются в ферментаторе до трех недель, пока масса не начнет выде­лять газ При использовании готовой «закваски» из преды­дущей порции из уже работающего ферментатора срок начала выработки газа сокращается примерно до недели

Метанопроизводящие бактерии разделяются на три груп­пы. Психрофильные эффективно работают в диапазоне+5.+20° При дальнейшем повышении температуры разви­ваются   мезофильные бактерии, их рабочий диапазон +30 +42° А при еще более высокой температуре прояв­ляется действие уже термофильных бактерий, которые рабо­тают в очень узком диапазоне +54 +56°

Большое число вопросов относится к конструкции уста­новки, в первую очередь — созданию возможности перио­дической дозаправки сырья и перемешивания биомассы без разгерметизации колокола Прежде всего нужно сказать, что беспрерывную выработку газа можно получить путем дублирования установок С двумя ферментаторами при по­очередной их перезаправке удается обойтись без услож­нения конструкции

Поэтому будущему создателю установки для производ­ства биогаза следует сравнить, применительно к своим воз­можностям, три схемы простейшая с периодической пере­заправкой, спаренные простейшие, с поочередной переза­правкой, со специальным устройством, обеспечивающим непрерывную подачу газа.

Выбирая третью схему, надо иметь в виду, что для ра­боты ферментатора требуется не только дозаправка сырь­ем, но и удаление отходов.

В последней схеме дозаправка сырья и удаление отходов не равнозначны по периодичности Так, удаление отходов можно совмещать с остановкой процесса на чистку и реви­зию системы Что же касается дозаправки, то она делается чаще и осущестеляется проще ежедневно снизу убирается ‘/10 объема и сверху добавляется столько же свежего био­сырья.

biogaz-v-domashnih-usloviyah-3

Один из возможных путей дозаправки ферментатора без потери газа основан на так называемом принципе сообщаю­щихся сосудов. Для этого рядом с ямой ферментатора устраивается небольшая заправочная емкость, соединенная с ней трубопроводом, расположенным ниже уровня жид­кости (рис 1) Трубопровод делается из куска керамической канализационной или асбоцементной трубы, которая вмуро­вывается в стенки емкостей Такая система сама по себе является жидкостным затвором газа Повысить эффектив­ность подачи концентрата можно с помощью вставной воронки-бункера (рис. la). Проталкивать гущу через трубо­провод можно и простейшим сетчатым поршнем. Одновре­менно он используется и в качестве заслонки, препятствую­щей самоперемешизанию биомассы между обеими емко­стями.

biogaz-v-domashnih-usloviyah-4

Много вопросов вызывает необходимость периодического перемешивания биомассы. Как выполнять эту операцию без разгерметизации? Не все знают о возможности ее само­перемешивания. Вспомним эффект конвекции: его можно наблюдать в комнате, когда какая-нибудь пушинка оказы­вается над батареей отопления, плывет вверх, опускается у противоположной стены и снова увлекается воздушным по­током к батарее. Этот эффект тепловой циркуляции среды нетрудно получить и в ферментаторе, если разместить в нижней его части подогревательные трубы (змеевик), сместив их к одному краю; конвекция обеспечит самоперемешивание. В начавшемся процессе газообразования к этому добавится эффект подъема газовых пузырьков а зоне, на­ходящейся над подогревателем.

Несложно сделать и механический перемешиватель био­массы. Особенно целесообразен он в местности с мягким климатом, где отпадает необходимость  в использовании подогрева. Как показывает практика, лучше это предусмот­реть заранее. Ведь если система сама выйдет на подогрев, то зачем тогда, спрашивается, тратить энергию на переме­шивание. Кроме того, вовсе не обязательно перемешивать массу непрерывно. Можно делать это периодически, напри­мер, утром и вечером. Стоит даже превратить эту опера­цию в дополнительную, регулировочную. Для этого доста­точно следить за положением колокола: как только он опу­стится к нижнему уровню (малый запас газа), надо пере­мешать биомассу — и выделение газа тотчас же увеличится.

biogaz-v-domashnih-usloviyah-5

Простейшую мешалку несложно изготовить в виде крыль­чатки с приводом гибкими связями через тот же сифонный трубопровод (рис. 3). При этом нет необходимости в непре­рывном вращении в одну сторону. Если мешалка имеет ра­диальные лопасти, достаточно качательных движений. Можно ограничиться и одной лопастью (рис. 2). Вообще здесь про­стор для собственных решений. В качестве тяг лучше ис­пользовать негниющие материалы, например, изолированный электропровод или капроновый (хлоридный) шнур, про­дающийся в хозяйственных магазинах как бельевой.

Существует и проблема устойчивости колокола. Читатели, внимательно изучившие материал «Биогаз: и греет, и варит», уже подметили, что если схемы, изображенные на рисун­ке 1, осуществить, не дорабатывая конструкцию, то колокол может потерять равновесие сразу, как всплывет: либо опро­кинется, либо заклинит. На рисунке 3 в той же публикации не случайно предусмотрена направляющая труба для коло­кола, но подобная установка сложнее для домашнего изго­товления.

biogaz-v-domashnih-usloviyah-6

На рисунке мы показываем схему уравновешивания коло­кола с двумя блоками (рис. 4а) и противовесом и вариант «журавль» (рис. 46). Погрешность, получающаяся за счет нестрого вертикального перемещения точки подвески коло­кола на «журавле» (по дуге окружности), пренебрежима в связи со значительным превышением плеча рычага над хо­дом коромысла.

Такая система уравновешивания колокола выгодна еще и тем, что ее можно использовать в качестве подъемного устройства при ревизии и очистке ферментатора. Учитывая это, нетрудно дополнить конструкцию некоторыми вспомо­гательными элементами: блоки лучше расположить на по­вторной стреле (ведь только приподнять колокол, чтобы работать под ним, категорически не   разрешается — «НЕ СТОЙ. ПОД ГРУЗОМ!»). Стоит сделать поворотной и опору коромысла «журавля», а противовес наборным, как на складских весах. Но если в вашей местности моро­зов не бывает, предусмотрите противовес в виде емкости, заполненной водой.

biogaz-v-domashnih-usloviyah-7

Самое же серьезное затруднение, стоящее на пути самодельщика, — изготовление колокола. Оцинкованное кро­вельное железо позволяет придать ему нужную форму про­стыми средствами, к тому же он будет нетяжелым. Но не­долговечность такого материала при быстрой коррозии в условиях агрессивной среды заставляет искать другие ва­рианты. Поэтому мы настоятельно советуем присмотреться к доступному металлолому. Старые емкости, например, от нефтепродуктов, будучи обрезанными, могут оказаться очень подходящим полуфабрикатом, как по форме (обычно с приварными сферическими днищами), так и по толщине листового материала: от 2 до 5 мм.

Видимо, ходовыми размерами колокола будут 0- 1—3 м и такая же высота. Если «бочка» окажется меньше, стоит подумать, делать ли большой колокол или взять два по­меньше (например, 0 1,5 м), заодно вернувшись к варианту спаренных простейших установок.

У некоторых читателей возник вопрос об определении давления газа. Видимо, они не обратили внимания на оче­видное: как только колокол всплывет — сила давления газа достигла величины массы колокола. Поясним это на при­мере. При диаметре юбки колокола 2 м площадь ее сече­ния составит S=яR2=3,14X1=3,14 м2= 31 400 см2. При тол­щине стенки колокола 5 мм и высоте 2 м вес его состазит около 500 кг. Допустим, что фактический вес колокола ра­вен 470 кг. Тогда колокол всплывет при давлении газа 0,15 ати. (В системе СИ масса М=470 кг, сила веса G= =4700 Н,   давление газа р=4700 : 31 400=0,15 Н/см^ =0,15 ати).

По мере подъема колокола давление почти не изменится, его повышение будет происходить только за счет вытесне­ния объема жидкости, равного всплывшей части стенок ко­локола.

Отмечая невысокое давление газа, видим, что его (в слу­чае необходимости) можно повысить простым способом:

установить на колоколе дополнительный груз, расположив его пониже, для лучшего равновесия колокола.

Несколько любопытных примеров для сравнения. Давле­ние газа в городской сети находится в пределах 200—300 мм вод. ст., а допускаемое — до 600 мм вод. ст. В нашей же системе это давление должно быть также предельным. Естественно, возникает вопрос: разве личное подворье спо­собно дать биосырья в достаточном количестве? Конечно же, нет. Наши рекомендации относятся в первую очередь к кооперативным животноводческим хозяйствам, получающим с каждым днем все большее развитие. Кроме того, резер­вы, и немалые кроются в колхозах и совхозах: иногда возле животноводческих ферм скапливается значительное количество навоза, который никак не используется. Местные жители могли бы его утилизировать, а затем уже вывозить на поля. Ведь отработанное сырье из ферментатора прак­тически не теряет свою ценность как удобрение. Налицо двойная экономическая выгода.

В заключение вновь обращаемся к читателям с просьбой делиться своим опытом в конструировании и эксплуатации биогазовых установок.

  • По материалам журнала «Техниум», СРР
  • Статья из журнала Моделист-конструктор №1 1987г

Комментарии:

Отправить комментарий

Главная | Обратная связь | Группа ВК