Что такое биогаз и как сделать биогазовую установку своими руками

Описание и свойства биогаза

Биогаз образуется при анаэробном (без воздуха) метановом сбраживании биомассы. В состав смеси входит до 55–75% метана, 25–45% двуокиси углерода, различное количество примесей сероводорода, оксидов азота, аммиака и других соединений.
Свойства смеси зависят от входящих в состав компонентов:

• метан взрывоопасен и чрезвычайно горюч, не имеет цвета и запаха, потребительские свойства связаны с большим выделением теплоты при сгорании;
• углекислый газ (углекислота) при вдыхании является причиной утраты внимания и усталости, снижая уровень насыщения крови кислородом;
• сероводород в той концентрации, которая бывает в готовом продукте, не подвержен взрыву, но является токсичным для человеческого организма;
• аммиак неприятно пахнет, но в опасных количествах, способных повредить слизистые оболочки глаз и органов дыхания, в установках вырабатывается редко.

Физические свойства:

• энергетический запас 5–6,5 кВт/ч в одном кубическом метре;
• теплотворная способность до 7500 ккал/м³;
• температура воспламенения — 680–750°С;
• давление в реакторе от 0,05 атм.

Разброс параметров предопределяется разным составом сырья, подбором технологии переработки и климатическими условиями во время реакции.

Сырьё для получения биогаза

Биогазовая установка для частного дома использует в качестве сырья самые разнообразные отходы сельского хозяйства. Биогазовая станция перерабатывает:

• навоз любой фракции, птичий помёт;
• растительные остатки — сорную траву, солому, силос;
• мезгу и жом;
• пивную барду;
• некондиционные зерновые культуры;
• отходы рыбных производств;
• мелассу различного происхождения;
• остатки бойни;
• жир;
• корнеплоды, потерявшие пищевую ценность.

Точное количество биотоплива для каждого вида сырья зависит от технологии переработки.

Методы добычи

Сырьё проходит стадию подготовки, чтобы процесс брожения шёл активнее и продуктивнее.

Навоз бывает двух видов: природный и самосплавной. Первый вид забирают из-под животного вместе с подстилкой. Самосплавной вид удаляется с фермы потоком воды.

Мезга и жом — это раздробленные части овощей, фруктов и корнеплодов, из которых отжат сок.

Мезга из винограда

Жом свекличный

Пивная барда, меласса — побочный продукт пивных, сахарных заводов, являются ценной пищевой добавкой, поэтому целесообразность использования для получения газа определяется стоимостью продукции.

Меласса

Пивная барда

Растительные остатки подвергают резке или силосованию.

Силос кукурузный

На сколько хватает

Примерный выход газа из разных субстратов собран в таблицу.

В следующей таблице собраны данные по количеству сырья, которое можно получить от животных и с одного гектара пашни.

Приведённые в таблицах данные не могут служить основанием для точных расчётов, показатели — усреднённые по отрасли.

Эффективность

Выгоду биогаза оценивают по преимуществам его использования и выходу тепловой или электрической энергии.

Плюсы и минусы добычи биогаза

Энергию получают из возобновляемых природных источников

Используют широкий спектр сырья

Универсальность биогаза для получения тепла или электрической энергии

Экологичность переработки

Утилизация отходов и использование отработанной биомассы для повышения плодородия сельхозземель, улучшения структуры почвы

Выработка в промышленных масштабах не всегда окупается

Показатель эффективности зависит от количества в смеси метана, которого может содержаться 45–75%. В среднем при сжигании 1 м³ биогаза с учётом потерь и КПД генератора можно получить 1,5–2 кВт/ электроэнергии.

Сравнение с другими источниками энергии

По потребительским свойствам биогаз можно сравнить с другими источниками энергии: природным и сжиженным газом, сжатым метаном.

Метан в органическом синтезе

Метан широко используется для получения многих востребованных соединений, таких как ацетилен, метанол или анилин.

Получение ацетилена из метана

В лабораторной практике проводится дегидрирование метана. Реакция требует сильного нагревания:

В промышленности используются такие методы, как:

• Электрокрекинг:

• Окислительный пиролиз (Заксе-процесс):

В этой реакции используется теплота частичного сгорания сырья, благодаря которой реакционная смесь разогревается до 1600 ℃ .

Получение метанола из метана

Метиловый спирт может быть получен:

• Каталитическим окислением метана:

• Двухступенчатым процессом, в ходе которого сначала получают хлорпроизводное метана, которое затем подвергается щелочному гидролизу:

Получение анилина из метана

Ароматическое соединение анилин получают в несколько стадий:

1. Крекинг метана:
2. Тримеризация ацетилена:

3. Нитрование бензола:

4. Восстановление нитробензола:

Принцип работы биогазовой установки

Биохимические принципы, лежащие в основе технологии производства газа, заключаются в жизнедеятельности трёх групп бактерий. Используют гидролизные, кислотообразующие и метанобразующие бактерии. Во время многоуровневой переработки вырабатывается конечный продукт — газообразная горючая смесь.
На практике применение распространение получили два вида получения биотоплива: «сухой» и «мокрый».

Мокрый

Метод получил наибольшее распространение, так как подходит для производства биотоплива из сырья с большим содержанием влаги. Так получают газ из навоза.

Сырьё насыщают водой до 90% влажности. Самосплавной навоз (удаляемый с ферм потоками воды) уже готов к переработке. В промышленных установках вещество подаётся в реакторы шнековыми транспортёрами или фекальными насосами. Резервуар утеплён, в нём постоянно происходит перемешивание биомассы.

По мере разложения вырабатывается газовая смесь, которая отводится в накопитель. Содержание серы уменьшают специальные бактерии, заселяющие стенки резервуара. После очистки топливо поступает в отделение когенерации, где происходит выработка электроэнергии газопоршневыми генераторами. В других вариантах станций газ доводится компрессорами до необходимого рабочего давления и поступает в распределительную сеть.

Часть энергии отбирается для подогрева биомассы в реакторе до 41–43°С.

Осадок удаляется по мере накопления.

В бытовых моделях система когенерации отсутствует, весь газ используется на нужды получения тепла. Загрузку и выгрузку реактора осуществляют вручную.

Сухой

Позволяет получать газ из сырья с небольшой влажностью. Разбавление водой субстрата не предусмотрено, а ферментация происходит при 50% влажности в зоне реакции.

По мере брожения жидкая фракция собирается в дренажной системе и с помощью циркуляционных насосов распыляется над полусухим субстратом. Перемешивание и переворачивание не происходит, что снижает энергозатраты на производство.

Брожение проходит при температуре 34–37°С. Внешний подогрев минимальный, тепло выделяется в процессе химических реакций органического сырья.

Оба метода могут быть применены при работе биогазовой установки, построенной своими руками.

Уникальность

В нашем производстве применяется инновационный подход к получению биотопливо: сначала синтезируется сырье (водорослевая биомасса) для его производства, затем отжимается масло, из которого уже по отработанной технологии производится биодизельное топливо. Такой, принципиально новый подход к получению биотоплива из не пищевого сырья, имеет ряд преимуществ по сравнению с производством биоэнергии из растительных масел. Основное достоинство такого производства – это независимость от урожайности масличных культур и их стоимости (рапсового и других масел, используемые как основное сырье для производства биодизеля), цена на которые с увеличением производства биотоплива растет.

Потребитель

Мы планируем работать по схеме B2Bи, в идеальном варианте, будем реализовывать полный объем производства биодизеля одной заинтересованной компании. К таким компаниям могут относиться компании, занимающиеся:

· железнодорожными и автоперевозками

· нефтепродажей

· агропромышленные компании

Организация

Коммерческая организация ЗАО «БиоЭнергоРосс» нацелена на производство биодизельного топлива. Управляющая команда также является и учредителями организации. Инвестору будет передана часть акций компании, соответствующая вложенным средствам.

Маркетинг

Товары

выпускает основной продукт – биодизель, и два побочных – глицерин и пищевую добавку для крупного рогатого скота и свиней (водорослевый жмых).

Сфера применения

Цели переработки различаются у крупных производств и частных хозяйств.

Для частного дома

В частном хозяйстве, как правило, не находится достаточного количества органических отходов, чтобы обеспечить отопление жилого дома. Однако навоза одной коровы и пары свиней хватит, чтобы получить газ для отопления мест содержания животных и для кормоподготовки. Для сжигания используют газовые инфракрасные горелки.

Перебродившую массу распределяют по огороду или приусадебному хозяйству.

Для фермерского хозяйства

В фермерском хозяйстве полученного газа хватит для обогрева всех помещений газовыми котлами, которые безопаснее горелок и могут работать в круглосуточном режиме.

Стоимость заводских установок с генератором электроэнергии приближается в 1 млн. рублей, поэтому их редко приобретают.

Переработка навоза в перебродившую массу выгодна для фермера, так как снижает затраты на доставку получившегося удобрения на поля.

Для предприятия

Крупные сельхозпредприятия получают сырьё для биогазовых установок круглогодично.

Полученный биогаз используют для получения электроэнергии и топлива для котельных. Отходы гранулируют и распределяют по пашням. Часть предприятий изготавливают жидкие удобрения, которые поступают в продажу в небольших ёмкостях от 5 литров.

Одновременно с получением газа агрохолдинги решают проблему утилизации навоза и птичьего помёта.

Биогазовая станция своими руками

При недостатке опыта постройки сложных инженерных систем стараются придерживаться принципа: чем проще конструкция, тем она получается надёжнее и долговечнее. Инструкция по изготовлению установки для производства биогаза своими руками включает несколько этапов:

• проектирование с учётом количества доступного сырья и производительности;
• выбор и подготовка места размещения оборудования;
• заготовка приспособлений, узлов, агрегатов;
• монтаж ёмкости;
• подключение вспомогательной аппаратуры;
• монтаж газопровода;
• пуск, настройка и регулировка.

После успешного пуска устраняют выявленные недостатки и переводят систему в работу с полной нагрузкой.

Проектирование

Самодельные простейшие биогазовые установки не отличаются высоким КПД из-за того, что реакции проходят в неподходящем режиме.
Исходя из этого принимают, что один кубометр ёмкости брожения выделяет количество газа, достаточного для отопления 10 м² жилья. Таким образом, для обогрева загородного дома площадью 50 м², понадобится резервуар на 5 м³.

Загрузку и выгрузку сырья в домашних установках производят одномоментно, примерно один раз в 15–25 суток, в зависимости от потребления. Выход в рабочий режим может занять до 5 суток.

На это время предусматривают отопление дома другими способами или строят резервуар на 1–2 м³.

Расположение

Место под ёмкость брожения выбирают исходя из нескольких условий:

• удобства доставки сырья и удаления отходов;
• безопасного складирования сырья и отходов вдали от жилья;
• минимальных затрат на подведение инженерных сетей.

Правильно выбранное место должно быть удобно расположено с учётом инфраструктуры участка.

Материалы для изготовления биореактора

Основой биогазовой станции в личных хозяйствах является бункер. В качестве резервуара используют:

• бетонный или кирпичный бункер;
• пластиковые и стеклопластиковые герметичные ёмкости;
• полиэтиленовые, полипропиленовые и поливилхлоридные рукава;
• стальные бочки, кубы, колонны.

Требования к реактору:

• водонепроницаемость;
• достаточная прочность, чтобы выдержать массу влажного субстрата и действующее давление грунта;
• удобство обслуживания;
• стойкость к агрессивным средам.

Для изготовления системы подачи сырья выбирают пластиковые трубы, которые используют в канализации. Для отвода газа к газгольдеру выгоднее использовать ПНД трубы — их соединяют без использования газосварки.

Система сбора и отвода газа

В самой верхней точке бункера брожения делают врезку трубы отвода выработанного газа. По возможности трубу монтируют на воздухе, но закрывают от солнца. Предусматривают небольшой 1–2% подъём. В этом случае отвод является холодильником и на внутренних стенках оседает и стекает в резервуар конденсат.

К отводящей трубе присоединяют отвод, ведущий в газгольдер-хранилище.

В небольших станциях газгольдеры изготавливают из армированной полимерной плёнки.

Очищение от примесей

Для работы бытовых водогрейных котлов или варочных плит необходим очищенный газ.

В домашних условиях очистку и осушение проводят, перепуская топливо через ёмкость с водяным затвором. Другой способ — использование корпусов от бытовых водяных фильтров с засыпанным в них силикагелем. Второй фильтр заполняют металлическими опилками или мочалками — это является надёжной защитой от избытка серы.

Оборудование для перемешивания

Электрические мешалки заводского изготовления со сложными редукторами в установках для получения биогаза своими руками используют редко из-за их высокой цены и расходов на оплату электричества.

Применяют другие способы:

• перемешивание вручную;
• периодическое включение фекальных насосов, перекачивающих жидкую фракцию со дна на поверхность;
• использование компрессора, которым газ из-под крышки резервуара закачивается в субстрат, происходит перемещение придонных слоёв.

Круглосуточное перемешивание делать не надо, для автоматизации процесса включения насосы, компрессоры или миксеры подключают через таймеры подходящей мощности.

Подогрев и теплоизоляция

Реакция брожения активно происходит при температурах от 34 до 43°С. Ни один из известных способов получения биогаза не сможет поддерживать такие параметры самостоятельно в круглогодичном режиме. Даже в самых южных регионах потребуется внешний подогрев и качественное утепление.

Методы сохранения тепла:

• углубление реактора в грунт с одновременным утеплением стенок;
• утепление внешнего бункера современными материалами — пенопластом, пенополистиролом, каменной ватой, фольгированным пеноизолом.

Иногда оборудование устанавливают в хозпостройках или возводят вокруг реакторов павильоны из дерева или поликарбоната. Подогрев осуществляют электрическими ТЭНами или запускают котёл, который потребляет часть выработанного газа.

При снижении температуры субстрата ниже 30°С брожение может занимать до 30 суток или совсем остановится.

Как подогревать биореактор?

Устройство биогазовой установки предполагает ее подземное расположение. Нужно подготовить яму необходимого объема. Ее стенки можно герметично укрепить и отделать пластиком, полимерными кольцами или бетоном.

От герметичности зависит интенсивность переработки сырья. В идеале стоит приобрести заводские полимерные кольца, имеющие сухое дно. Это более дорогое решение, но можно избежать дополнительной герметизации.

Полимерные материалы устойчивы к влажности и агрессивным средам. Их не нужно ремонтировать, а при повреждении можно быстро заменить.

Следовательно, биореактор нужно подогревать, особенно зимой. Можно установить змеевик, подключенный к бытовой отопительной системе.

Другой способ – установка электрических нагревательных элементов. Но, более экономически целесообразным решением является именно подключение к отопительной системе.

Биогазовую установку можно и не делать подземной. Существуют альтернативные методы. К примеру, ее можно выполнить в бочке, которая будет находиться в отдельном помещении.

Можно использовать и, например, цистерну. Такой вариант упростит подогрев, но требует наличия достаточно пространства.

Ориентировочный расчет стоимости

Прежде чем приступать к проектированию установки, необходимо тщательно просчитать все предстоящие расходы. В некоторых случаях — суровый климат, небольшое количество доступного сырья — выгоднее отказаться от постройки.

Затраты на добычу биогаза

Домашняя мини-станция обойдется примерно в 50 тыс. руб.
Затраты на добычу биогаза складываются из стоимости аппаратуры, расходов на монтаж и обслуживание установок. Если используют покупное сырьё, учитывают его стоимость расходы по доставке.

Саму установку покупают в заводском изготовлении или делают самостоятельно. Фабричные изделия устанавливают, настраивают и обслуживают специализированные организации. Для некоторых моделей придётся приобретать расходные материалы — активаторы брожения или бактерии.

Во время эксплуатации расходы состоят из затрат электроэнергии на перемешивание субстрата и обогрев реактора.

Стоимость готовой и самодельной биогазовой установки

Фермерская установка будет стоить несколько сотен тыс. руб.
Промышленность выпускает биогазовые установки для фермерских хозяйств. Объём биореактора варьируется от 0,5 до 30 м³. Готовая система с резервуаром на 1м³, например, БУГ-М, содержащая все необходимые компоненты, стоит около 180 тысяч рублей. Установки для фермерских хозяйств с количеством стада КРС 12 голов или 1000 голов птицы обойдётся в 2 млн. рублей.

Немногие хозяйства могут позволить покупку такой техники, поэтому предпочитают изготовить установку самостоятельно.

Домашние генераторы могут обойтись в сумму от 50 тысяч рублей, что позволяет значительно сэкономить на покупке.

Реактор для большого хозяйства

Простая схема биореактора подходит для небольших хозяйств с 1-2 животными. Если вы владеете фермой, лучше всего установить промышленный реактор, который справится с большими объемами топлива. Лучше всего привлечь специальные фирмы, занимающиеся разработкой проекта и установкой системы.

Мембранный биореактор

Промышленные комплексы состоят из:

• Емкости промежуточного хранения;
• Установки-смесителя;
• Биореактора;
• Небольшой ТЭЦ, которая дает энергию для отопления зданий и теплиц, а также электричество;
• Емкости для ферментированного навоза, используемого как удобрение.

Наиболее эффективный вариант – постройка одного комплекса для нескольких соседних хозяйств. Чем больше биоматериала перерабатывается, тем больше энергии получается в результате.

Перед тем как получить биогаз, промышленные установки нужно согласовать с санэпидемстанцией, пожарной и газовой инспекцией. Они документально оформляются, существуют специальные нормы по расположению всех элементов.