< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Системи метанового зброджування.

Біогаз виникає при розкладанні органічної субстанції (надалі скорочено - органіка) бактеріями. Різні групи бактерій разлагають органічні субстрати, що складаються переважно з води, білка, жиру, вуглеводів і мінеральних речовин на ік первинні, складові - вуглекислий газ, мінерали і воду, як продукт обміну речовин, при цьому утворюється суміш газів, що одержала назву біогаз [15,80]. Пальний метан (СН4) складає від 50 до 85% і є основним компонентом біогаза, а значить і основним знергомістким компонентом. Такий процес розкладання можливий лише в анаеробних умовах, тобто тільки при відсутності проникнення кисню. Енергія, що звільняється внаслідок анаеробного процесу, не губиться як тепло при компостуванні, унаслідок життєдіяльності метанових бактерій вона перетворюється в молекули метану. Газ метан, що утримується в біогазовій суміші, має енергетичну цінність від 10 квт на м3 (стосовно до чистого метану) і є таким же газом, як і природний газ. Якщо суміш газів переводити в електричний струм за допомогою генератора, то при його ефективності напр. 35% з 10 кВт брутто утвориться 3,5 кВт електричного струму, якому можна безпосередньо подавати в мережу електричного харчування [15,80]. Фермери, що будують біогазові установки, як правило, переслідують цим самим єдину мету: виробництво енергії. Зменшення неприємного запаху при достатньому розкладанні субстрату є істотним аргументом для фермерів, чиї площі розташовані в густозаселених регіонах. Іноді будівництво біогазової установки взагалі стає початком збільшення розмірів ферми (збільшення кількості поголів'я худоби). З екологічної точки зору, великий інтерес для еко-підприємств надає можливість шляхом бродіння переробити азот на відповідну для зберігання речовину. Аргументом на користь будівництва біогазової установки може бути також створення робочого місця для майбутнього власника господарства. Для ферми наприклад може бути важливою можливість виведення своїх стічних вод в біогазову установку замість підключення дорогої каналізації [15,80]. Принципово при будівництві біогазової установки варто врахувати такі аспекти:

  • 1. За допомогою біогазової установки не можна оздоровити підприємство, що переживає кризу. Біогазові установки, однак, можуть допомогти ефективним підприємствам залишатися такими ж ефективними.
  • 2. Інвестиція в біогазову установку пов'язана з довгостроковим капіталовкладенням. Тому будівництво установки має бути добре розраховане з урахуванням перспективи.
  • 3. У зв'язку із зростанням кількості біогазових установок, в деяких регіонах виникає нестача посадочних площ для вирощування субстрату, що в свою чергу збільшує ціну оренди землі. Для власників установок, безпосередньо залежних від оренди або купівлі сировини це означає великий ризик. Тому важливо провести розрахунки за довгостроковим доступом до сировинної бази.
  • 4. Рентабельність установок, незважаючи на високу винагороду за вироблену енергію все одно легко втратити. Оскільки купівля електроенергії є гарантованою, крім витрат на сировину і ціни за оренду, вирішальне значення може мати і використання тепла. Тому варто розробляти концепції з високою ефективністю використання теплової енергії.
  • 5. Метанові бактерії вимагають до себе такої самої уваги як тварини в хлівах. Це означає, що успішна експлуатація біогазової установки вимагає спеціальних знань. Саме тому варто приділяти увагу освіті й підвищенню кваліфікації обслуговуючого персоналу, створенню у нього відповідної зацікавленості.
  • 6. Експлуатація неможлива без нагляду та проведення профілактичних робіт. Хто не готовий, залежно від типу і розміру установки щодня мінімум 1 годину витрачати на установку, тому краще не братися за цю справу.
  • 7. При вивезенні гною після установки на поля існує небезпека втрати аміаку. Тому варто використовувати спеціальну техніку з подачею на грунт через шланги.

З екологічної точки зору, великий інтерес для еко- підприємств має можливість шляхом бродіння переробити азот на відповідну для зберігання речовину. Аргументом на користь будівництва біогазової установки може бути також створення робочого місця для майбутнього власника господарства.

З урахуванням цих обставин біогазова установка може бути цікавою і доцільною за таких умов:

  • • Законодавчо врегульована в рамках ЄС оплата електричного струму з біогазу і ціни на електроенергію, яка на сьогоднішній день знижується: таким чином це вигідно тоді, коли власна ціна за електрику є вище ніж ціна для продажу; надалі невигідним стає подолання або згладжування " пікових періодів" споживання, які, однак, можна перекривати за допомогою біогазових установок.
  • • Необхідно мати гній мінімум від 100 голів ВРХ.
  • • Велика частина самостійно виконаних робіт при будівництві допомагає знизити втрати і може істотно поліпшити рентабельність і надасть необхідні для майбутнього знання, які знадобляться для усунення неполадок.
  • • Для установок, що працюють лише на поновлюваних ресурсах корисно мати великі власні площі для вирощування енергетичних рослин з метою уникнення ризиків, пов'язаних з ціною оренди землі. Установка, що працює переважно на об'єкті, придбання сировини або на орендованій землі, може мінімізувати ці ризики шляхом укладення довгострокових договорів про поставку та оренду.
  • • Якщо є можливість дешево і протягом тривалого часу отримувати відповідні продовольчі відходи, то це може значно вплинути на рентабельність установки і заощадити на покупці добрив. Рентабельність установки не повинна перебувати в залежності від надходження субстрата, або принаймні, повинна бути гарантована довгостроковими контрактами.
  • • Підприємства і фірми, що мають проблеми з утилізацією рідких органічних відходів, можуть їх вирішити за допомогою біогазової техніки.
  • • Якщо є потреба в установці резервуарів для гною, то їх з успіхом можна використовувати для виробництва біогазу.
  • • Фермери, які мають проблеми з емісією неприємних запахів при зберіганні та вивезеним гною на поля, можуть мати більшу вигоду від біогазової установки.
  • • Площі сільськогосподарського застосування на територіях проведення водозабору можуть легше захиститися від попадання нітратів у грунтові води.
  • • Фермери, шо працюють в секторі екологічного сільського господарства, безвідходного господарства. тривалого використання сільськогосподарських ресурсів, захисту навколишнього середовища - отримають у своє розпорядження найкращий інструмент для цього.

Цілі використання біогазової технології:

  • • Виробництво висококалорійної енергії;
  • • Виробництво високоякісних добрив;
  • • Зменшення інтенсивності запахів;
  • • Зменшення агресивного роз'їдаючої дії;
  • • Поліпшення показників плинності;
  • • Зменшення забруднення повітря аміаком і метаном;
  • • Запобігання втрати поживних речовин;
  • • Зменшення вимивання нітратів;
  • • Краща пристосовність до споживання рослинами;
  • • Поліпшення здоров'я рослин;
  • • Гігієнізація гною;
  • • Зменшення здатності до проростання у насіння бур'янів;
  • • Переробка органічних відходів;
  • • Економія на витратах підключення до каналізації.

Основою кожної біогазової установки є реактор. Реактор є герметичний термос, у якому підтримується задана постійна температура. Для підтримки температури використовується система підігріву і система термоізоляції реактора. Всім цим керує блок автоматики. Також для нормального протікання реакції використовується система перемішування сировини, яка також управляється блоком автоматики [15,80].

Для подачі в реактор вихідної сировини служить система підготовки сировини. Для буферизації газу, що виробляється і стабілізації його тиску використовується газгольдер. Газова система служить для зневоднення газу, що виробляється, контролю тиску газу, систем аварійного скидання газу та попередження зворотного ходу. Для зливу відпрацьованого сировини (готових біодобрив) застосовується система зливу.

Використання продуктів переробки відходів в біогазовій установці.

Рис. 27.7. Використання продуктів переробки відходів в біогазовій установці.

Блок-схема біогазової установки.

Рис. 27.8. Блок-схема біогазової установки.

Система підготовки сировини.

Система підготовки сировини служить для розведення вихідної органічної маси водою для забезпечення необхідної вологості і температури сировини, а також для закачування сировини в реактор. Інженерні завдання, які вирішуються при розробці такого вузла - це рівномірне перемішування вихідної суміші, підтримка температури суміші в заданих межах, незалежно від температури навколишнього середовища, закачування в реактор строго певної порції сировини із збереженням герметичності реактора і постійності тиску газу на виході. Запропановано два способи вирішення цих завдань: закачування суміші з системи підготовки під дією сили тяжіння, або за допомогою спеціального фекального насоса. Перший спосіб найпростіший і дешевий, але він ускладнюється з ростом обсягу реактора. Суть його зводиться до того, що ємність для підготовки сировини розташовується вище реактора на розраховану величину, і підготовлена сировина заливається в реактор самопливом. Особливо зручно застосовувати цей метод, коли рельєф місцевості, де розташована біогазова установка сприяє цьому, і не треба будувати занадто високу естакаду. Об'єм ємності для підготовки сировини звичайно дорівнює 5-10 % обсягу реактора. З ростом обсягу зростає навантаження на конструкцію естакади, що вимагає її ускладнення і подорожчання. Другий спосіб - класичний. Складнощі полягають у тому, що дешеві фекальні насоси не мають ріжучих ножів, і тому легко можуть засмітитися. А очищення насоса і подаючого тракту від фекальних мас вручну • завдання не з найприємніших. Вартість хорошого фекального насоса порівнянна з вартістю самої малої біогазової установки. Тому застосування фекального насоса має сенс для середніх біогазових установок. Шнековая подача сировини має сенс тільки для великих установок.

Реактор.

Реактор біогазової установки являє собою герметичний термос. Реактори великих біогазових установок зазвичай виготовляють з бетону, який потім утеплюють різними способами. Основний мінус даної конструкції - це капітальна споруда специфічної конструкції. Його неможливо перемістити, демонтувати без втрат. Відповідно, його майже неможливо продати без продажу земельної ділянки, банк неохоче приймає його в заставу при видачі кредитів. Спорудження такого реактора займає значний час. Реактори малих установок зазвичай виготовляють з металевого листа. Часто використовують вживані цистерни. Мінусом є велика вага, висока ціна і низька корозійна стійкість. В пропонованій конструкції застосувано ємності з сучасних синтетичних матеріалів. Вони мають малу вагу, високу корозійну стійкість. їх легко монтувати, демонтувати, сполучати з вхідними та вихідними трубами. Вони не потребують корозійного захисту. Біогазова установка на базі такого реактора легко може бути демонтована і змонтована на новому місці, а отже її можна продати або виставити в заставу.

Система підігріву реактора.

Температура сировини в реакторі повинна підтримуватися на рівні, оптимальному для функціонування відповідних анаеробних бактерій. Сама реакція - екзотермічна, але при температурі навколишнього середовища істотно нижче необхідної температури реакції сировину необхідно підігрівати. Складність полягає в тому, що підігрів повинен бути рівномірним, і температура повинна утримуватися в заданих межах. Найдоцільніше використовувати для підігріву реактора енергію спалювання біогазу, що виробляється установкою. У великих установках біогаз зазвичай переробляється в електрику в когенераційних установках (генератор на основі двигуна внутрішнього згоряння). Система охолодження двигуна відводить тепло в спеціальну ємність. А далі через теплообмінники в цій ємності тепло подається для підігріву реактора., а також для внутрішніх потреб власника біогазової установки. У даному випадку тепло є просто побічним продуктом когенераційної установки, що виробляє електрику. Малі та середні біогазові установки не виробляють стільки багато газу, щоб завантажити стандартну когенераційну установку. Тому для їх обігріву застосовують стандартні газові котли, такі ж, як і для обігріву приміщень. Тільки труби з гарячою водою пропускають крізь реактор. Ця конструкція не дуже складна, але все ж не має економічного сенсу для малих біогазових установок. Для кожної біогазової установки необхідно забезпечити початковий розігрів для того, щоб почалася реакція і став вироблятися біогаз. Якщо запускати установку в теплу пору року, то при температурі навколишнього повітря понад 20 ° С приблизно через тиждень реакція почнеться, маса в реакторі почне сама розігріватися, почне виділятися біогаз. У холодну пору року такий запуск неможливий. Тому для запуску необхідний або зовнішнє джерело газу, або система електропідігріву. І якщо газ в більшості випадків буде недоступний, то використовувати електрику майже завжди можливо. А для малих установок система електропідігріву видається єдино раціональній. Вона не надто дорога, легко управляється і при гарній термоізоляції реактора не буде занадто дорогою в експлуатації.

Система перемішування маси у реакторі.

Сировина в реакторі в процесі протікання реакції має тенденцію розділятися на фракції. На дні реактора скупчується нерозчинний осад, більш легкі частинки, що захоплюються бульбашками газу, піднімаються наверх і утворюють кірку. Все це істотно уповільнює швидкість реакції. Для того, щоб реакція протікала рівномірно і ефективно, масу всередині реактора необхідно час від часу перемішувати. Також перемішування покращує рівномірність прогріву сировини. Але перемішування хімічно активної маси всередині герметичного реактора - нетривіальне завдання. Перемішуючі деталі повинні бути зроблені з корозійно- стійкого матеріалу. Привід перемішуюча повинен перебувати або всередині реактора, або необхідно застосувати високоякісну перехідну муфту. Можна також застосувати гідравлічне або пневматичне перемішування. З усіх чотирьох способів найдешевшим і надійним для малих установок виходить застосування перемішуючого пристрою, що знаходиться всередині реактора. Спеціальні перехідні муфти не є стандартним виробом, тому застосування їх в малих і середніх біогазових установках доцільно при їх серійному випуску. Для пневматичного перемішування потрібен якісний пожежо і вибухо безпечний компресор. Для гідравлічного перемішування потрібен якісний потужний фекальний насос, який досить дорого коштує. Тому два останні способи доцільніше застосовувати у великих установках.

Система термоізоляції реактора.

Реактор, як зазначено вище, являє собою термос. Чим якісніше буде зроблена термоізоляція, тим вище буде ККД реактора, тим менше енергії витрачатиметься на підтримання необхідної температури. Особливо важлива термоізоляція при експлуатації біогазової установки в зимових умовах. Ідеальний термос має порожні стінки, усередині яких вакуум. Реально це виготовити неможливо, але основний принцип термоізоляції полягає саме в цьому: крім внутрішньої силовий стінки реактора робиться зовнішня герметична стінка з шаром, спрямованим всередину. Між стінками - порожнеча, або пористий наповнювач.

Газгольдер.

Газгольдер - це ємність, в якій накопичується вироблений біогаз. Також газгольдер в біогазової установці виконує функцію стабілізатора тиску газу і буфера при заправці реактора і зливі добрив. У великих біогазових установках газгольдером служить сам реактор, який закривається зверху спеціальною гумовою мембраною. Робочий об'єм такого газгольдера не дуже великий, але у великих біогазових установок немає перепадів в споживанні газу, оскільки весь газ відразу переробляється в електрику. У малих і середніх біогазових установках споживання біогазу непередбачувано, тому бажано, щоб робочий об'єм газгольдера відповідав хоча б одно - або двогодинній продуктивності установки біогазу. Також бажано, щоб робочий об'єм газгольдера більш ніж у два рази перевищував обсяг одноразової заправки або зливу сировини. Для малих і середніх біогазових установок зазвичай застосовують мокрі і сухі газгольдери. Мокрий газгольдер має помітно більшу вартість і складність в експлуатації, ніж сухий, виготовлений з сучасних синтетичних матеріалів. Газова система.

Біогаз, вироблений біогазовою установкою, не подається безпосередньо споживачеві, а проходить через кілька спеціальних пристроїв, які можна назвати газовою системою біогазової установки. Насамперед, біогаз необхідно пропустити через зворотний клапан, який забезпечує рух газу тільки в одному напрямку - від реактора до споживача. Найпростіший зворотний клапан - рідинний, схожий на той, який ми застосовуємо, зброджуючи домашнє вино. Цей зворотний клапан може бути загальним для декількох реакторів, забезпечуючи одночасно незалежність їхніх газових систем, і в той же час рівність тисків у робочих режимах. Для контролю над тиском газу встановлюється манометр. Також обов'язковим і найважливішим елементом є запобіжний клапан, який випускає в атмосферу біогаз при перевищенні допустимого тиску. Такий запобіжний клапан теж простіше і дешевше всього зробити рідинним, як і зворотний клапан. Тільки рідину в нього необхідно заливати незамерзаючу і неіспаряючуюся, типу " Тосол ”, оскільки вона безпосередньо повідомляється з атмосферою. Взагалі кажучи, метан - основна складова частина біогазу - найбільше руйнує озоновий шар Землі, і тому викиди метану в атмосферу з точки зору екології дуже небажані. Тому біогаз, що пройшов через запобіжний клапан, зазвичай спалюють у факельній установці. Факельна установка - це пальник, на яку подається іскра для розпалювання в момент спрацьовування запобіжного клапана, і вогонь підтримується, поки запобіжний клапан відкритий. Тобто механізм дії точно такий же, як і в сучасних газових котлах.

Система зливу переробленої сировини.

У великих біогазових установках шлам, або відпрацьовану сировину зливають за допомогою шнекових насосів. Для малих і середніх біогазових установок, виконаних на базі реакторів нашої конструкції, найвигідніше зливати шлам під дією сили тяжіння в ємність, розташовану нижче реакторів. При цьому система зливу являє собою звичайну каналізаційну трубу з відповідним краном. Головна технологічна особливість - це закінчення труби, яке повинно забезпечити неможливість засмоктування в реактор повітря при зливі.

Автоматика управління біогазовою установкою.

Для безперебійного функціонування біогазової установки необхідний блок автоматики, що контролює всі параметри і підтримує задану температуру і інтенсивність реакції. Робота блоку автоматики базується на інформації, що знімається кількома датчиками: датчиком температури сировини в реакторі, датчиками рівня сировини в реакторі. Грунтуючись на цих свідченнях, а також за сигналами таймера, блок автоматики включає і вимикає систему підігріву, систему перемішування, а також сигналізує про початок і кінець затоки і зливу сировини. Блок автоматики нашої розробки базується на стандартних недорогих промислових контрольних приладах. Для управління потужностью, навантаженням, таких елементів як електронагрівальні елементи або двигуни системи перемішування, застосовуються магнітні пускачі.

Алгоритм роботи біогазової установки.

Залежно від кількості реакторів у біогазовій установці може бути кілька алгоритмів роботи, що базуються на безперервному або переривчастому циклі. У першому завантаженні реактора біогазової установці обов'язково має бути присутнім деяка кількість анаеробних бактерій. У природних умовах ці бактерії живуть в " рубці " великої рогатої худоби. Тому гній ВРХ - найкраща сировина для старту роботи біогазової установки. Також " закваскою " може служити шлам - відпрацьована сировина біогазової установки. Після завантаження та розігріву сировини до необхідної температури може пройти тиждень, поки виділення газу досягне номінальних величин. Цикл бродіння триває від двох тижнів до місяця, але шлам зливають тоді, коли виділення газу помітно падає. Шлам зливають на дві третини, залишаючи в реакторі одну третину в якості "закваски". Потім цикл повторюється. Зрозуміло, що при такому переривчастому алгоритмі роботи біогазової установки, виділення газу буде нерівномірним, а отже біогаз складно використовувати для якихось корисних цілей. Є режим безперервного циклу, коли, наприклад, кожен день з реактора зливається 1/20 обсягу шламу, і така ж кількість сировини заливається. Газ при цьому виділяється рівномірно, але біодобрива виходять неякісними, оскільки в зливаваємому шламі знаходиться 1 / 20 неперебродившей сировини. Це шкідливо також і з екологічної точки зору. Для доведення біодобрив до необхідної кондиції в такому випадку застосовують камеру доброджування.

Паралельне і послідовне з'єднання реакторів для нарощування потужності біогазової установки.

Камера доброджування фактично являє собою ще один реактор. Можна робити біогазові установки з кількома реакторами. При збільшенні кількості реакторів залишається та ж сама система завантаження і система зливу сировини (точніше, вони збільшуються незначно). Газову систему обігріву можна спроектувати з таким запасом, щоб той же котел міг потягнути кілька реакторів, система автоматики збільшується тільки на необхідне число модулів управління температурою. Тобто, при збільшенні потужності біогазової установки шляхом додавання додаткових реакторів, вартість установки зростає не пропорційно збільшенню сумарного обсягу реакторів, а зменьшується. Реактори можна з'єднувати паралельно і послідовно. Якщо N реакторів з'єднуються паралельно, то вивантаження і завантаження в кожен з реакторів по черзі проводиться через кожні 20 / N днів (з урахуванням тривалості циклу в 20 днів). При цьому кожен реактор один раз в 20 днів спорожняється на дві третини, і потім заповнюється свіжим сировиною. Якість біодобрив при цьому буде максимальним, але вироблення біогазу недостатньо рівномірномірним, особливо, якщо реакторів мало. Якщо з'єднати реактори послідовно, то необхідно щодня зливати і заливати 1/20 сумарною робочої ємності реакторів (вона становить 80 % загальної ємності реакторів). Вироблення біогазу при цьому буде максимально рівномірною. Якість добрив буде залежати від кількості реакторів.

Мезофільний і термофільний режими роботи біогазової установки.

Є кілька видів анаеробних бактерій, кожен з яких максимально ефективно працює при певній температурі. У зв'язку з цим розрізняють різні температурні режими бродіння. На практиці використовуються два режими: мезофільний (30-40 ° С) і термофільний (51-55 ° С). У термофільному реакція йде в два рази швидше, і відповідно в два рази швидше виділяється біогаз. Також термофільний режим має переваги з точки зору екології, оскільки в цьому режимі знищуються майже повністю всі хвороботворні мікроорганізми. Але термофільний режим вимагає великих енерговитрат на підтримання необхідної температури реакції, а також більшої точності підтримки температури. Крім того, якість біодобрив в цьому режимі виходить гірше, ніж у мезофільному. Мезофільний режим пред'являє менш суворі вимоги до точності підтримки температури, але не завжди може підходити з точки зору екології. Якщо нас цікавлять перш за все біодобрива, то мезофільний режим - це

безальтернативний вибір. Якщо необхідно суттєво заощадити на вартості біогазової установки, то підходить термофільний режим. Адже установка, що працює в термофільному режимі має в два рази більшу пропускну здатність, і, відповідно, може бути зменшена в два рази в порівнянні з установкою, що працює в мезофільному режимі, при переробці тієї ж кількості сировини. Різновиди біогазових установок.

Установки для виробництва біогазу з органічних відходів звичайно підрозділяють на чотири основних типи:

  • • без підведення тепла і без перемішування зброджуємо!' біомаси:
  • • без підведення тепла, але з перемішуванням зброджуємої маси;
  • • з підведенням тепла і з перемішуванням біомаси;
  • • з підведенням тепла, з перемішуванням біомаси і з засобами контролю і керування процесом зброджування.

Головний критерій при виборі конструкції реактора - це можливість реалізувати його на практиці і зручність з погляду обслуговування й експлуатації. Поза залежністю від вибору конструкції реактор повинний відповідати наступним вимогам:

Водо- і газонепроникність; - водонепроникність потрібна для запобігання витоків і погіршення якості грунтових вод, газонепроникність - для збереження повного обсягу вироблюваного біогазу і для запобігання змішування повітря з газом у реакторі. Теплоізоляція - необхідна умова для ефективної роботи біогазової установки. Мінімальна площа поверхні знижує вартість будівництва і знижує втрати тепла через стінки реактора.

Стабільність конструкції реактора необхідна для витримування всіх навантажень (тиск газу, вага і тиск сировини, вага покрить) і забезпечує довгострокову роботу установки.

Вибір розміру реактора.

Розмір реактора виміряється в кубічних метрах і залежить від кількості, якості і типу сировини, а також від обраної температури і часу зброджування. Є кілька способів визначення необхідного обсягу реактора.

  • • співвідношення добової дози завантаження сировини і розміру реактора;
  • • розмір реактора для переробки визначеної кількості сировини.

Форми реактора.

З погляду динаміки рідин, оптимальна яйцеподібна форма реактора, але її спорудження вимагає великих витрат. Другою найкращою формою є циліндр із конічним або напівкруглим дном і верхом. Квадратні реактори з бетону або цегли не рекомендуються до використання, тому що в кутах утворяться тріщини через тиск сировини, а також збираються тверді частки, що порушує процес зброджування. Реактор може розділятися за допомогою внутрішніх перегородок на кілька секцій для запобігання появи кірки на поверхні сировини і для забезпечення більш повного зброджування сировини.

Матеріали для спорудження реакторів.

Реактори можуть споруджуватися з наступних матеріалів:

Сталеві ємності мають перевагу герметичності, можуть витримувати великий иск і порівняно легкі у виготовленні. Великою проблемою, однак, є чутливість до іржі, яку необхідно запобігати підходящими покриттями. Економічно такі ємності вигідні тільки у випадку використання вже готових ємностей. При наявності металевої цистерни достатнього обсягу необхідно перевірити внутрішню і зовнішню поверхні стінок на предмет наявності раковин, якості зварювання, наявності отворів і інших ушкоджень, що повинні бути усунуті. Потім ці поверхні повинні бути очищені і пофарбовані. Пластикові ємності, використовувані як реактори, бувають м'які і тверді. М'які ємності легко зашкодити і складно утеплити для круглорічної роботи. Тверді пластикові ємності відрізняються стабільністю конструкції і не піддаються корозії, тому рекомендуються до використання для психофільної переробки органічних відходів. Бетонні ємності придбали велику популярність у країнах, що розвиваються, в останні роки. Необхідна газонепроникність вимагає обережного будівництва і спеціальних покрить, з метою запобігання тріщинам в кутах реактора, але великими плюсами є недороге будівництво і практично необмежений термін експлуатації. Кладка • найбільше часто використовуваний метод конструкції для маленьких реакторів. Можна використовувати тільки добре обпалені цеглини, бетонні блоки або кам'яні цеглини гарної якості.

Забезпечення герметичності реактора.

При будівництві біогазової установки з бетонним, цегельним або кам'яним реактором, необхідно забезпечити газо- і водонепроникність реактора. Необхідно покрити реактор зсередини шаром речовини, здатного витримати температури до 60°С и стійкого до впливу органічних кислот і сірководню. Вибір місця розташування установки.

Місце розташування установки залежить від декількох факторів - наявності вільних площ, віддаленості від житлових приміщень, місця складування відходів, розташування місць утримання тварин і т.д. У залежності від глибини залягання грунтових вод, зручності завантаження і вивантаження сировини реактор може мати наземне, частково або цілком занурене положення. Реактор може бути розміщений над поверхнею землі на фундаменті, занурен у землю або встановлений усередині приміщення, у якому знаходяться тварини. Реактор повинний мати люк, необхідний для проведення періодичних профілактичних і ремонтних робіт усередині реактора. Між корпусом і кришкою повинна бути прокладка з гуми або спеціального герметизуючого складу. По можливості рекомендується підземне розміщення, тому що воно дозволяє зменшити капіталовкладення і виключає використання додаткового устаткування для завантаження сировини, значно поліпшує якість терморегулювання, а також дає можливість використовувати дешеві теплоізоляційні матеріали - глину і солому.

Вибір конструкції біогазової установки.

В даний час розроблено безліч конструкцій біогазових установок, що підходять для роботи в різних кліматичних умовах. Вибір конструкції біогазової установки - найважливіший етап процесу планування. До вибору конструкції потрібно мати представлення про базові проблеми, можливі для біогазової установки. У місцевостях з порівняно холодним кліматом, ізоляція і підігрів реактора важливі для круглорічної роботи установки. Кількість і тип сировини, що переробляється, впливають на розмір і тип установки і конструкції систем завантаження і вивантаження сировини. Вибір конструкції установки також залежить від наявності будівельних матеріалів.

Термоізоляційні матеріали.

Більшість біогазових установок були побудовані без забезпечення теплоізоляції реактора. Відсутність теплоізоляції дозволяє установці працювати тільки протягом теплого часу року. Термоізоляційні матеріали повинні мати гарні ізолюючі властивості, бути дешевими і доступними. Підходящими матеріалами для установок з підземним або напівпідземним розташуванням реактора є солома, глина, шлак, сухий гній. Утеплення реактора виробляється пошарово. Наприклад, для підземного реактора після підготовки котловану спочатку укладають шар поліетиленової плівки для запобігання контакту теплоізоляції з грунтом, потім засипають шар соломи, потім глини на дно котловану, після чого встановлюють реактор. Потім у простір, що залишився, між реактором і фунтом знову засипають шари ізоляційних матеріалів до верхньої частини реактора, після чого роблять досипання глини зі шлаком товщиною не менш 300 мм.

Конструкції реактора і систем завантаження і вивантаження:

Рис. 27.9. Конструкції реактора і систем завантаження і вивантаження:

а - циліндричний реактор з верхнім завантаженням; б - циліндричний реактор з нижнім завантаженням; у - циліндричний двохсекціний реактор; м - похилий реактор; д - траншейний реактор з покриттям, що плаває; е - горизонтальний секційний реактор.

Контрольно-вимірювальні прилади.

Контрольно-вимірювальні прилади, установлювані на реактори, включають контроль рівня сировини в реакторі, контроль температури і тиску усередині реактора, визначення водневого показника.

Розрахунок добового виходу біогазу підраховується в залежності від типу сировини і добової порції завантаження

Тип сировини

Вихід газу (м3 на кілограм сухої речовини)

Вміст метану (%)

А. Гній тварин

Гній КРС

0,250-0,340

63

Свинячий гній

0,340-0,580

65-70

Пташиний кал

0,310-0,620

60

Кінський гній

0,200 - 0,300

56-60

Овечий гній

0,300 - 620

70

Б. Відходи господарства

Стічні води, фекалії

0,310-0,740

70

Овочеві відходи

0,330-0,500

50-70

Картопляне бадилля

0,280 - 0,490

60-75

Бурячиння

0,400 - 0,500

85

С. Рослинні сухі

Пшенична солома

0,200 - 0,300

50-60

Солома жита

0,200-0,300

59

Ячмінка

0,250-0,300

59

Вівсяна солома

0,290 - 0,310

59

Кукурудзяна солома

0,380-0,460

59

Льон

0,360

59

Коноплі

0,360

59

Буряковий гніт

0,165

Листи соняшника

0,300

59

Конюшина

0,430-0,490

D. Інше

Трава

0,280-0,630

70

Листя дерев

0,210-0,290

58

Баланс між потребою в енергії і виходом біогазу.

Необхідність в енергії для кожного індивідуального господарства визначається виходячи із суми всіх дійсних і майбутніх споживчих ситуацій, таких як готування їжі, освітлення, виробництво енергії. Необхідно також враховувати споживання біогазу на підігрів сировини в реакторі, що складає від 10% до 27% у залежності від часу року. Кількість біогазу, необхідну господарству, можна визначити по кількості енергії, споживаної раніше. Наприклад, спалювання 1 кг дров аналогічно спалюванню 650 літрів або 0,65 м3 біогазу, спалювання 1 кілограма кізяка -0,7 м біогазу, а 1 кг вугілля -1,1м біогазу. Необхідний обсяг біогазу для готування їжі може бути визначений на підставі часу, щодня затрачуваного на готування їжі. Необхідна кількість біогазу для готування однієї порції їжі для однієї людини складає 0,15-0,3 м3 біогазу. Для кип'ятіння 1 літра води необхідно 0,03 - 0,05 м3 біогазу. Для опалення 1 м2 житлової площі необхідно близько 0,2 м3 біогазу в добу. Побутові пальники споживають 0,20 - 0,45 м3 у годину.

Обслуговування біогазової установки.

Щоденні операції:

Для оптимальної експлуатації біогазових установок велике значення мають добова доза завантаження свіжого гною і періодичність її внесення. Доза завантаження - величина непостійна і залежить від виду сировини, температури зброджування і концентрації сухої речовини в сировині. При малих дозах добового завантаження сировини, що не перевищують 1-5 % обсягу реактора в добу, біогазу виділяється менше, ніж при великих дозах у 10-20%. Однак при великих дозах щодобового завантаження зміст метану в біогазі скорочується, а зміст вуглекислого газу - збільшується. Оптимальною дозою добового завантаження для установок з мезофільною температурою продуктування з погляду якості біогазу можна вважати 6-10% від повного обсягу сировини, що завантажується, при тривалості зброджування 10-20 доб. Оптимальною дозою завантаження для термофільного режиму можна вважати 15-25% при тривалості продуктування від 4 до 8 доб. При використанні психофільного режиму зброджування рекомендується завантажувати не більш 2% при щодобовому додаванні нової сировини. Якщо використовується метод порціонного завантаження, то реактор завантажується відразу на 2/3 і сировина переробляється без додавання свіжого гною в плині 40 і більш днів. Добова доза повинна вноситися в реактор не цілком, а поступово рівними порціями через однакові проміжки часу 4-6 разів у добу. Після завантаження чергової порції рекомендується здійснювати перемішування сировини. Стан і робота перемішуючих пристроїв повинна перевірятися щодня. Про те, як протікає процес зброджування сировини в реакторі, можна судити по інтенсивності виділення біогазу, а також по кольору зброджуваної маси на виході з реактора.

Відсутність біогазу або його слабке утворення свідчить про низьку активність мікроорганізмів і може бути виявлена по сірому кольорі зброджуваної маси. Причиною цього може бути також недолік мікроорганізмів, що приводить цо загасання процесу зброджування, для поновлення якого потрібне введення живильних розчинів з високою концентрацією мікроорганізмів і, отже, з потенціалом кращого газоутворення. При надлишку живильних речовин можливе утворення кислот і зниження активності мікроорганізмів. Колір зброджуваної сировини в цьому випадку змінюється на чорний, а на його поверхні може утворитися біла плівка. Нейтралізувати кислоти можна введенням рослинної золи або вапняної води. Якщо зброджувана маса має темно-коричневий колір і при цьому на її поверхні утворюється піна, то можна вважати, що йде нормальний процес продуктування.

Щотижневі операції:

  • • контроль водяних затворів;
  • • відновлення газових фільтрів;
  • • чищення купола в установках з куполом, що плаває;
  • • перевірка гнучких шлангів і труб на появу пір.

Щорічні операції: вся установка і газова система повинні бути перевірені на герметичність та тиск.

Умови експлуатації біогазової установки.

  • 1. Для біогазової установки вологість маси, що завантажується, повинна бути в межах 88 - 95% тривалість зброджування 20 - 22 дні, щодоби камери завантажуються сирим гноєм у кількості 5% від Їхнього обсягу.
  • 2. При пуску установки в роботу спочатку завантажується одна бродильна камера. Для прискорення процесу зброджування завантаження робити

невеликими порціями.

3. Щоб уникнути забивання трубопроводу, по якому маса випускається з камери зброджування, потрібно не рідше одного разу в рік очищати дно камер від осаду за допомогою спеціальних механізмів.

Експлуатація біогазової установки.

Стабільна щоденна робота біогазової установки вимагає високого рівня дисципліни обслуговуючого персоналу для одержання високих обсягів біогазу і біодобрив і довгої служби установки. Багато проблем трапляються через помилки в експлуатації. Часто такі проблеми можуть бути зведені до мінімуму шляхом:

  • - вибору простої конструкції установки, адаптованої до місцевих кліматичних умов і наявної сировини;
  • - використання високоякісних матеріалів і приладів;
  • - доброго навчання персоналу й одержання консультацій професіоналів по експлуатації установки.

Підготовка до запуску.

Етап підготовки містить у собі перевірку герметичності реактора і газової системи. Для цього до газової системи підключають водяний манометр, перекриваються всі крани для того, щоб надлишковий тиск повітря в реакторі можна було вимірити манометром. Для цього реактор заповнюється водою до робочого рівня. Надлишкове повітря буде витіснятися через запобіжний клапан. Після цього фіксують показання манометра і залишають заповнений водою реактор на добу. Якщо після закінчення доби показання манометра не змінилося або змінилося незначно, то можна вважати, що газова система і реактор мають достатню герметичність. При втраті тиску в реакторі і газовій системі необхідно відшукати й усунути течі. Роботи з пуску біогазової установки можуть бути початі тільки тоді, коли установка в цілому і її елементи будуть визнані придатними до експлуатації і відповідати вимогам безпечної експлуатації.

Етап введення в експлуатацію.

Первісне завантаження нової біогазової установки повинно, якщо можливо, складатися з відпрацьованої сировини з іншої установки (близько 10%) або свіжого гною великої рогатої худоби, тому що для успішної роботи потрібні штами метанообразуючих мікроорганізмів, велика кількість яких утримується у свіжому гної великої рогатої худоби. Вік і кількість початкової порції сировини мають сильний вплив на весь курс ферментації. Рекомендується подбати про достатню кількість сировини ще до закінчення будівництва установки. При першому завантаженні можна розбавити недостатню кількість сировини великою кількістю води, чим звичайно, для заповнення реактора на 2/3 обсягу.

Типи сировини.

У залежності від типу використовуваної сировини може знадобитися від декількох днів до декількох тижнів для виходу біогазової установки на стабільний рівень роботи. Після розведення сировини до одержання однорідної маси потрібної вологості його завантажують у реактор, що заповнюється не більше ніж на 23 внутрішнього обсягу. Обсяг реактора, що залишився, використовується для нагромадження біогазу. Сировина, що завантажується в реактор, не повинна бути холодною - її температура повинна наближатися до обраної оптимальної температури зброджування.

Оптимізація введення в експлуатацію.

Для оптимізації процесу зброджування можуть бути використані деякі відомі методи пуску:

  • • введення в реактор активної закваски від нормально діючого реактора;
  • • додавання реагентів, таких як вапно, вуглекислий газ, луг і інші; • заповнення реактора теплою водою і поступове додавання в неї гнойових стоків;
  • • заповнення реактора свіжими гнойовими стоками;
  • • заповнення реактора гарячими газами і поступовим завантаженням гнойових стоків.

Для забезпечення стійкого росту мікроорганізмів у пусковий період нагрівання завантаженої сировини повинно поступово збільшуватися не більше ніж на 2°С в добу з доведенням до 35-37°С. У процесі нагрівання повинне бути забезпечене інтенсивне перемішування сировини. Через 7-8 доб починається активна життєдіяльність мікроорганізмів у реакторі і виділення біогазу.

Характеристики етапу введення в експлуатацію.

Період уведення біогазової установки в робочий режим експлуатації називається пуско-налагоджувальним періодом і характеризується -

  • • низькою якістю біогазу, що містить близько 60% вуглекислого газу;
  • • сильним запахом біогазу:
  • • падаючим рівнем рн;
  • • непостійним виходом газу.

Стабілізація процесу.

Перехід до робочого режиму експлуатації відбувається швидше, якщо сировина часта й інтенсивно перемішується. Якщо в процесі пуско-налагоджувального періоду стабілізація процесу зброджування затримується, потрібно додати в реактор невелику кількість гною КРС для відновлення балансу рн. Відразу після стабілізації процесу зброджування, великий обсяг зброджуваної сировини буде продуктувати велику кількість біогазу. Після того як рівень виробленого біогазу упаде до очікуваного, можна починати регулярне завантаження сировини.

Підготовка газгольдера.

Підготовку газгольдера для заповнення газом у складі модуля можна робити тільки після приймання іспиту відповідно до технічних умов і після огляду органами Госгортехнадзора. Щоб уникнути утворення вибухонебезпечної

суміші до заповнення газгольдера газом необхідно, щоб з всієї системи, у тому числі і з газопроводів, було витиснуте повітря. Витиснення повітря виробляється водою з наступним витисненням води газом під тиском або непальними газами. Витиснення повітря вважається закінченим, якщо зміст кисню в пробі газу, узятої з газгольдера не перевищує 5 %. Зовнішнім оглядом повинен бути перевірений стан контрольно-вимірювальних приладів, що входять до складу газгольдера (зворотний і запобіжний клапани, манометр, редуктор тиску). Надійність заземлення і блискавко захисту газгольдера перевіряється за допомогою вимірника заземлення. Опір заземлення не повинний перевищувати 4 Ом.

Якість газу.

У період виходу біогазової установки на робочий режим експлуатації якість біогазу буде невисокою. З цієї причини, а також для запобігання вибухонебезпечної ситуації, зв'язаної з залишковим киснем, що утримується в газгольдерах, перших двоє добових обсягу біогазу повинні бути випущені в повітря. Як тільки біогаз стане займистим, він може бути використаний для споживання.

Біодобриво.

Біодобриво багато в чому перевершує різні органічні добрива (гній, торф) по більшості показників. От деякі з них:

Відсутність насіння бур'янистих рослин.

У гної свиней і великої рогатої худоби і торфі звичайно присутній велика кількість насіння бур'янів. У 1 тонні свіжого гною знаходиться до 10 тис. насіння бур'янистих рослин, що, пройшовши через шлунок тварин, не втрачають здатність до проростання. Це приводить до утрати врожаю до 5 центнерів злакових культур з одного гектара.

Відсутність патогенної мікрофлори.

Через гній найчастіше поширюються багато збудників захворювань рослин. У гної можуть утримуватися понад 100 небезпечних для тварин і людини хвороб. Сибірська виразка, туберкульоз, бруцельоз, паратиф, паратуберкулез, ящур, сальмонельоз, аскаридоз, кишкові інфекції - це тільки деякі з них. Свинячий гній має загальну мікробну обсемененність від 4,1 до 3,6 10*9, спорових анаеробів від 10*2 до 10*4, колоній кишкової палички складає від 10*5 до 10*7. Біогумус, завдяки спеціальній технології використання біогазової установки, цілком очищен від патогенної мікрофлори.

Наявність мікрофлори, що сприяє росту рослин.

Торф, використовуваний як добриво, не має мікрофлори. У гної утримується 109 колоній /гр. мікрофлори, у тому числі і патогенної. У биогумусі утримується 1012 - 1014 колоній/гр. мікрофлори, при цьому в биогумусі не утримується патогенної мікрофлори.

Відсутність адаптаційного періоду.

Гній, перед внесенням у грунт, вимагає тривалої підготовки (6-12місяців). Корисні речовини, що утримуються в торфі, переходять у грунт тільки на 4 рік після його закладки. Біогумус починає ефективно працювати відразу. Стійкість до вимивання з грунту. За сезон вимивається з ґрунту близько 80% гною, тому приходиться його додавати щорічно. За цей же час із грунту вимивається всього 15% біогумуса. Таким чином, біогумус на вашій ділянці буде працювати 5-6 років після внесення.

Збереження азоту.

Недолік азоту в грунті приводить до невисокої врожайності багатьох сільськогосподарських культур. При його недостачі гальмується ріст рослин, послабляється утворення бічних пагонів і кущіння в злаків. Тривале азотне голодування веде до гідролізу білків і руйнуванню хлорофілу. При компостуванні гною губиться до 50% азоту; У біогумусі, отриманому з газової установки методом проектування біовідходов азот зберігається цілком.

Екологічний вплив на грунт.

Гній великої рогатої худоби, свинячий гній, пташиний кал наносять шкоду грунтові, забруднюючи його і грунтові води. Курячий кал, гній і шкарлупа від курячих яєць занесені в кваліфікаційний каталог небезпечних відходів. У той час як біогумус є абсолютно чистим екологічним добривом.

Переваги біогумуса в порівнянні з мінеральними добривами.

Вплив на людину. Мінеральні добрива у виді гранул засвоюються на 45-55%, інша частина відкладається у виді нітратів у самих проектах, що згодом впливають на організм людини. Нітрати сприяють розвиткові ракових пухлин у шлунково-кишковому тракті. Тривалий прийом нітратів у малих дозах приводить до збільшення щитовидної залози. Нітрати сприяють збільшенню холестерину і зниженню білка в крові людини і тварин. Біогумус засвоюється рослинами практично на 100%, при цьому зміст нітратів у проекті мінімально. Норми внесення і їхнє дотримання. При роботі з мінеральними добривами важливо точно знати граничні норми внесення інакше можна переудобрити грунт, отчого порушується структури грунту. Внесення мінеральних добрив порушує річний цикл зміни кислотності. Розчини мінеральних солей у природних умовах у чистому виді майже не зустрічаються, унаслідок чого гнітяться грунтові мікроорганізми, порушується робота хробаків. Біогумус можна вносити в будь-якій кількості. При його використанні не відбувається мінералізації грунту, оскільки він є екологічно чистим проектом.

Переваги і недоліки біогазу.

Переваги.

  • 1.Біогазова гнойова рідота більш ефективна як добриво в порівнянні з неферментованій гнойовою рідотою, тому що в результаті мінералізації звужується співвідношення C/N і гнойова рідота краше засвоюється рослинами. Її навіть можна застосовувати потім як підгодівлю під час фази росту. При експлуатації установки на біогазі одержують почвовмістке і коштовне добриво, яке можна тривалий час добувати і застосовувати. На відміну від неферментованій гнойової рідоти біогазова гнойова рідота щадить живих істот фунту, наприклад дощового хробака, що, у свою чергу, позитивно впливає на утворення гумусу. Як показує досвід, уже через короткий час (3-4 року) досягається поліпшення грунту. Це означає поліпшення гумусного шару. Завдяки цьому в період тривалої посухи такі грунти висихають лише на поверхні, не утворюються помітні дрібні тріщини, і тим самим значно довше зберігається вологість грунту. Тим самим знижується негативний вплив дорогих хімічних (мінеральних) добрив на живі організми грунту.
  • 2. 3амість звичайної утилізації органічних відходів виробляється енергія, і використовуються живильні речовини. Тим самим в основі біогазової технології лежить ідея сприятливої для навколишнього середовища циркулюючої економіки і децентралізованої утилізації відходів. Фермери, що при дотриманні визначених правил утилізують і органічні відходи комунального господарства, грають уже нову роль у населеному пункті. На підставі виробництва регенеративного енергоносія біогаза при розкладанні органічного матеріалу, установки на біогазі сприяють послідовному дбайливому відношенню до ресурсів. У результаті використання біогазової гнойової рідоти поліпшується склад грунту, на більш тривалий період забезпечується захист води, і також запобігаються можливі повені.
  • 3. Збільшуючи до 2020 р. мінімум вдвічі обсяг новітніх енергій і розвиваючи і поширюючи далі на базі установок на біогазі сприятливі для навколишнього середовища технології, застосування біогазу служить і підтримці мети по захисту клімату. До даного аргументу варто було б постійно прибігати в дискусіях фермерам, політикам, проектувальникам місцевості і службам, що займається даною тематикою. Істотним благом для навколишнього середовища від використання біогазово'і технології е зменшення емісії, що має тепличний ефект, насамперед метану (СН4), закису азоту (N02) і диоксиду вуглецю (С02). У С02 звільняється лише той обсяг, що до цього вже був зв'язаний рослинами, і в атмосферу не відпускається без контролю метан, що приблизно в ЗО разів більш ефективний.
  • 4. Вироблена енергія може використовуватися для задоволення потреби в теплі при обігріві будинків і для підігріву води на побутові потреби. Додатковим аргументом вигоди є те, що виробництво електричної енергії заохочується підвищеним тарифом на підключення, і компоненти, що необхідні для розподілу тепла від термічної енергії, заохочуються відповідно до останніх директив по розвитку на 30%.
  • 5. До того ж забезпечуються, зберігаються і частково формуються заново робочі місця в сільському господарстві. З концепцією гарного і функціонального менеджменту добрив, фермери можуть працювати ефективно, з економією часу. Новою економічною галуззю для сільського господарства могла б бути в майбутньому продаж добрив або пропозиції якісного менеджменту добрив. Тим самим фермери могли б перетворитися з виробників енергії у виробників добрив (додатковий імідж - місцеві добрива високої якості). На цій базі могло б вийти тісне співробітництво між сільськогосподарськими підприємствами і промисловістю.
  • 6. З формуванням об'єднань по використанню гнойової рідоти витрати на утримання машин можуть бути знижені і може бути досягнуте ефективне використання машин. Завдяки комбінації теплової й електричної енергії здійснюється виробництво теплової й електричної енергії, що забезпечує безпосередньо користувачеві установкою гарантований доход.
  • 7. У процесі ферментації знижується кількість патогенних утворень (насамперед кишкової палички і сальмонелли) і знижується здатність до проростання насіння у бур'янів. Наступною перевагою є економія промислових добрив і засобів по захисту рослин і захисту води. Біогазова гнойова рідота здатна ефективно заміщати мінеральні добрива і зберігати питну воду.
  • 8. Ефективність гнойової рідоти зростає в результаті анаеробної обробки. Виділення запаху скорочується до 80%, тому що інтенсивно розкладаються сильно пахнуть речовини, такі як, наприклад, летучі жирні кислоти або феноли. В результаті гомогенізації зростає текучість. Тим самим досягається більш рівномірний і кращий розподіл при внесенні в грунт.
  • 9. Одержання подвійної вигоди від консервації площ відбувається в результаті використання площ в енергетичних цілях і в результаті одержання премії за законсервовану площу. З'явилася можливість вирощувати на законсервованих площах енергетичні рослини (наприклад кукурудзу, рапс і т д.), удобрювати їх відповідно до існуючої сільськогосподарської практики й у підсумку подавати в установку на біогазі. В основному можливо, що кожне сільськогосподарське підприємство консервує 10% - 50% своєї сільськогосподарської корисної площі (СП), виділяє ці землі під установку на біогазі й одержує за це грошову компенсацію. Однак середнім виробникам (більш 17,46 га СП) настійно пропонується консервувати 10%.

Недоліки.

  • - Більш високий рівень рн відходів від фермертації;
  • - Більш висока летючість аміаку, і тому необхідно близьке до ґрунту внесення (буксирний шланг, буксирний наконечник),
  • - Складування біогазу у закритих ємностях.
 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >