Биогаз – состав и сырье для получения

Подготовка биогаза

Подготовка биогаза заключается, прежде всего, в снижении содержания в нем CO2- и O2. Один из самых распространенных процессов подготовки – так называемое промывание газа, с помощью которого от него отделяется CO2 и увеличивается процент содержания в нем метана. Промывка газа заключается в поглощении СО2 водой или специальными моющими средствами. Другой способ очистки – адсорбция сменой давления с применением активированного угля. Наряду с этими способами есть и другие, например, криогенное разделение газов с использованием холода. В стадии разработки находится способ разделения газов мембраной, позволяющий сделать биогаз пригодным для различных приложений.

Перед подачей биогаза в трубопроводную сеть природного газа, его нужно сжать до соответствующего рабочего давления и подготовить до сетевого качества. Для использования биогаза в качестве топлива также необходимо его сильное сжатие до давления выше 200 бар. Во избежание порчи газовых двигателей при сгорании биогаза из него должны быть удалены сероводород и аммиак. Оставшаяся после брожения биомасса является отличным биологическое удобрением, так что здесь имеет место замкнутый круговорот веществ.

Преимущества биогаза

Биогаз экологичен

Биогаз является возобновляемым, а также чистым источником энергии. Газ, получаемый в результате биоразложения, не загрязняет окружающую среду; это фактически уменьшает выбросы парниковых газов (то есть уменьшает парниковый эффект).

В процессе не происходит сгорания, что означает отсутствие выброса парниковых газов в атмосферу; поэтому использование газа из отходов как формы энергии на самом деле является отличным способом борьбы с глобальным потеплением.

Неудивительно, что забота об окружающей среде является основной причиной, по которой использование биогаза стало более распространенным. Биогазовые установки значительно сдерживают парниковый эффект: заводы снижают выбросы метана, улавливая этот вредный газ и используя его в качестве топлива.

Производство биогаза помогает снизить зависимость от использования ископаемого топлива, такого как нефть и уголь.

Другое преимущество биогаза состоит в том, что, в отличие от других видов возобновляемых источников энергии, этот процесс является естественным и не требует энергии для процесса генерации.

Кроме того, сырье, используемое в производстве биогаза, является возобновляемым, поскольку деревья и сельскохозяйственные культуры будут продолжать расти. Навоз, пищевые отходы и растительные остатки — это сырье, которое всегда будет в наличии, что делает его весьма устойчивым вариантом.

Выработка биогаза снижает загрязнение почвы и воды

Переполненные свалки не только распространяют неприятные запахи — они также позволяют токсичным жидкостям стекать в подземные источники воды. Следовательно, еще одно преимущество биогаза заключается в том, что производство биогаза может улучшить качество воды. Кроме того, анаэробное пищеварение дезактивирует патогены и паразитов; таким образом, он также довольно эффективен в снижении заболеваемости болезнями, передаваемыми через воду. Аналогичным образом, сбор и утилизация отходов значительно улучшаются в районах с биогазовыми установками. Это, в свою очередь, приводит к улучшению состояния окружающей среды, санитарии и гигиены.

Биореакор производит органические удобрения

Побочным продуктом процесса генерации биогаза является обогащенный органический (дигестат), который является идеальным дополнением или заменой химических удобрений.

Выброс удобрений из биогазовой установки может ускорить рост растений и устойчивость к болезням, тогда как коммерческие удобрения содержат химические вещества, которые оказывают токсическое воздействие и могут вызывать пищевое отравление, среди прочего.

Это простая и недорогая технология, которая способствует циркулярной экономике

Технология производства биогаза довольно дешевая. Онв проств в настройке и не требует больших вложений в небольших масштабах. Небольшие биодегустаторы можно использовать прямо дома, используя кухонные отходы и навоз.

Бытовая система окупается через некоторое время, а материалы, используемые для генерации газа, абсолютно бесплатны. Проявленный газ может быть использован непосредственно для приготовления пищи и выработки электроэнергии.

Это то, что позволяет себестоимости производства биогаза быть относительно низким.

Фермы могут использовать биогазовые установки и отходы, производимые их домашним скотом каждый день. Отходы одной коровы могут дать достаточно энергии для питания лампочки на целый день.

На больших станциях биогаз также может быть сжат для достижения качества природного газа и использован для питания автомобилей. Строительство таких заводов требует относительно небольших капиталовложений и создает экологичные рабочие места. Например, в Индии было создано 10 миллионов рабочих мест, в основном в сельской местности, на заводах и в сборе органических отходов.

Для фермерского хозяйства

При наличии у фермерского хозяйства, или иного не крупного предприятия, среднее количество органических отходов (пилорама, тепличное хозяйство, птицеферма и т.д.), появляется возможность смонтировать более крупную установку, позволяющую обеспечить собственные потребности в тепловой и электрической энергиях. В этом случае процесс производства топлива аналогичен процессу, при использовании в частном порядке, отличие лишь в мощности агрегатов и соответственно, объемах перерабатываемого сырья.

Конструктивно, это может выглядеть следующим образом:

На данной схеме представлены:

• 1 – емкость накопитель продуктов жизнедеятельности сельскохозяйственных животных (навоз);
• 2 – фекальный насос, обеспечивающий подачу навоза для переработки;
• 3 – котел (реактор), агрегат в котором происходит процесс разложения и брожения сырья;
• 4 – элемент, обеспечивающий отвод переработанного сырья;
• 5 – отводящий трубопровод;
• 6 – газгольдер, накопитель биогаза;
• 7 – устройство по преобразовании газа в тепловую энергию (газовая горелка);
• 8 – получаемая тепловая энергия;
• 9 – устройство по преобразованию газа в электрическую энергию (газогенератор);
• 10 и 11 – электрическая и тепловая энергии, получаемые при работе газогенератора.

Из чего получают биогаз?

Источники, которые генерируют биогаз, многочисленны и разнообразны.

К источникам относятся свалки, очистные сооружения и анаэробные реакторы. 

Свалки и очистные сооружения выделяют биогаз из разлагающихся отходов. На сегодняшний день индустрия отходов сосредоточилась на контроле этих выбросов в окружающую среду и в некоторых случаях на использовании этого потенциального источника топлива для питания газовых турбин, тем самым вырабатывая электроэнергию. 

Основными компонентами свалочного газа являются:

• метан (СН4);
• диоксид углерода (СО2);
• азот (N2). 

Состав биогаза по средней концентрации:

• метана ~ 45%;
• СО 2 ~ 36%;
• азота ~ 18%. 

Другими компонентами в газе являются кислород (O2), водяной пар и следовые количества широкого ряда неметановых органических соединений (НМОК). 

Способы оборудования установки подогревом

Установить подогрев в биореакторе можно несколькими методами.

• Один из них предполагает подключение станции к системе отопления. Осуществляют это по типу змеевика. Его монтаж должен производиться под реактором.
• Другой способ предусматривает установку электрического нагревательного элемента в основание резервуара.
• Еще один метод организации подогрева предполагает применение электрических отопительных систем для нагрева резервуара.

Если для организации подогрева вы будете использовать автоматизированные системы, то включение устройства будет происходить без вашей помощи при поступлении в реактор холодной биомассы. Когда сырье прогреется до установленной температуры, то система нагрева отключится.

Чтобы качественно изготовить биогазовую установку своими руками, необходимо еще до начала работы подготовить чертежи, на которые необходимо ориентироваться при проведении работ. Элементы подогрева могут быть смонтированы в водогрейных котлах, поэтому необходимо позаботиться о приобретении необходимого газового оборудования.

Для того чтобы повысить количество вырабатываемого биогаза, можно кроме подогрева оснастить свою установку еще и устройством для перемешивания биомассы. Для этого придется потратить некоторое время и создать устройство, которое будет работать так же, как и обычный бытовой миксер. При помощи вала он будет приводиться в движение. Последний должен быть выведен сквозь отверстия в крышке.

Принцип работы установки фотобиореактора

Фотобиореактор – установка для выращивания водорослевой биомассы в закрытых резервуарах.

Производство является экологически чистым и не производит вредных отходов. В нормальном промышленном режиме вода используется в ре цикле. Единственный побочный продукт производства – кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза.

Комплекс емкостных реакторов состоит из рядов установок. Каждый ряд представляет собой цепочку сообщающихся сосудов. В начале каждого ряда находится технологическая емкость.

Осветительная конструкция выполнена таким образом, что за счет правильного расположения ламп внутри закрытых резервуаров и подбора спектров освещения достигается максимальная эффективность использования освещения на процессы фотосинтеза. Импульсный режим освещения так же способствует экономии электроэнергии. Срок службы данной конструкции без замены ламп – более 10 лет.

Приготовление культуральной жидкости происходит в технологической емкости путем добавления питательных веществ через дозатор. При прохождении воды через технологическую емкость происходит растворение питательных веществ и перемешивание среды с помощью циркуляционного насоса.

Затем культуральная жидкость заполняет фотобиореакторы, представляющие собой, в данном случае, систему сообщающихся емкостей.

Трубы на входе и выходе каждого емкостного реактора снабжены клапанами и системой обратного продува для предотвращения засорения труб.

Насыщение культуральной жидкости СО2 происходит путем подачи СО2 в каждую емкость. Подвод СО2 производится к каждой емкости. На дне каждой емкости находится сатуратор. Таким образом, мелкие пузырьки газа растворяются, проходя через культуральную жидкость.

После заполнения всего ряда сообщающихся емкостей производится загрузка водорослевого материала.

Разгрузка емкостей при снятии урожая производится автоматически по запрограммированному графику.

Сбор урожая производится при достижении максимального прироста, который вычисляется по параметрам роста и рассчитывается исходя из графика загрузки

При сборе урожая культуральная среда направляется на линию фильтрации. Она представляет собой набор гидроциклонов (4 по 1 на установку), в котором происходит первичное отделение биомассы микроводорослей от жидкости. Свободная от водорослей культуральная жидкость возвращается насосом в технологическую емкость для приготовления питательного раствора. Из технологической емкости вода возвращается в установку.

Биомасса проходит линию отжима (дезинтегратор и сепаратор), после чего масло направляется на биодизельную установку, а жмых – на сушку.

Система управления и контроля полуавтоматическая. В процессе выращивания биомассы регуляция условий (температура, СО2, освещения) автоматическая.

Загрузка водорослевого материала на выращивание, подготовка воды, сбор урожая – процессы полуавтоматические и программируются операторам исходя из начальных параметров (начальное количество биомассы и др.) Линия съема урожая так же программируется оператором и при стабильных параметрах работает автоматически.

Производство является экологически чистым и не производит вредных отходов. В нормальном промышленном режиме вода используется в ре цикле.… Комплекс емкостных реакторов состоит из рядов установок. Каждый ряд… Осветительная конструкция выполнена таким образом, что за счет правильного расположения ламп внутри закрытых…

Блок-схема производства

Помещение

Для монтажа оборудования необходимо ориентировочно закрытое производственное помещением размером 800 – 1000 м2.

Что такое биогаз

Биогаз из навоза – это экологически чистое топливо. По характеристикам он близок к природному газу, который извлекается из недр земли промышленным путем.

Биогаз может составить альтернативу обычному топливу, ведь изготавливается он из отходов жизнедеятельности животных и птиц, которых в избытке можно найти в любом сельском хозяйстве. При правильной обработке сырья можно получить бесцветный биогаз без характерного запаха, в котором содержится не менее 70 % метана.

Биогаз имеет хорошие характеристики. Один кубический метр такого топлива из навоза выпускает столько же тепла, что и полтора кг каменного угля.

— Что именно происходит с отходами в биогазовой установке?

— Анаэробное сбраживание навоза имеет большие преимущества:

Во-первых, на выходе вы имеете перебродившую биомассу, которую сразу же можно использовать в качестве высокоэффективного  органического удобрения, В процессе биологической, термофильной, метангенерирующей обработки органических отходов в биогазовых установках образуются экологически чистые, жидкие, высокоэффективные органические удобрения.

Эти удобрения содержат минерализованный азот в виде солей аммония (наиболее легко усваиваемая форма азота), минерализованные фосфор, калий и другие, необходимые для растения биогенные макро- и микроэлементы, биологически активные вещества, витамины, аминокислоты, гуминоподобные соединения, структурирующие почву. Одна тонна таких удобрений по своему эффекту на растение эквивалентна 50-100 т исходного навоза или других органических веществ.

В результате анаэробного сбраживания органических отходов ускоряется процесс их разложения по сравнению с обычным перегневанием в буртах, при этом гибнут семена сорных растений, гельминты, устраняется запах. Основное преимущество анаэробного сбраживания заключается в сохранении практически всего азота и перехода значительной части его в легкоусвояемую растениями форму. Применение сброженной массы позволяет повысить урожайность полевых культур на 40-100 %. По данным ряда специалистов, если эффективность процесса разделить на энергетическую (от использования биогаза) и экономическую (получение высокоэффективных удобрений), то последняя составляет 78 %, а первая 22 %.

Что такое биогаз и как он образуется

В результате переработки биомассы получается биогаз

Биогаз относят к экологически чистым видам топлива. По своим характеристикам биогах во многом сходится с природным газом, добываемым в промышленных масштабах. Представить технологию получения биогаза можно следующим образом:

• в специальной емкости, называемой биореактором, происходит процесс переработки биомассы с участием анаэробных бактерий в условиях безвоздушного брожения в течение определенного периода, длительность которого зависит от объема загруженного сырья;
• в результате происходит выделение смеси газов, состоящей на 60 % из метана, на 35 % — из углекислого газа, на 5 % — из других газообразных веществ, среди которых есть и сероводород в небольшом количестве;
• получаемый газ постоянно отводится из биореактора и после очистки отправляется на использование по назначению;
• переработанные отходы, ставшие высококачественными удобрениями, периодически удаляются из биореактора и вывозятся на поля.

Наглядная схема процесса выработки биотоплива

Чтобы производство биогаза наладить в домашних условиях в непрерывном режиме, надо владеть или иметь доступ к сельскохозяйственным и животноводческим предприятиям. Экономически выгодно заниматься получением биогаза только в том случае, если есть источник бесплатной поставки навоза и иных органических отходов животноводства.

Механизм образования газа из органического сырья

Биогаз – это летучее вещество без цвета и какого-либо запаха, в котором содержится до 70% метана. По своим качественным показателям он приближается к традиционному виду топлива – природному газу. Отличается хорошей теплотворной способностью, 1м3 биогаза выделяет столько тепла, сколько получается при сгорании полутора килограмм угля.

Образованию биогаза мы обязаны анаэробным бактериям, которые активно трудятся над разложением органического сырья, в качестве которого используются навоз сельскохозяйственных животных, птичий помет, отходы любых растений.

В самостоятельном производстве биогаза может использоваться птичий помет и продукты жизнедеятельности мелкого и крупного домашнего скота. Сырье может применяться в чистом виде и в форме смеси с включением травы, листвы, старой бумаги

Для активизации процесса необходимо создать благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий. Они должны быть схожи с теми, в которых микроорганизмы развиваются в естественном резервуаре – в желудке животных, где тепло и отсутствует кислород.

Собственно, это и есть два основных условия, способствующих чудесному превращению гниющей навозной массы в экологически чистое топливо и ценные удобрения.

Для получения биогаза нужен герметичный реактор без доступа воздуха, где будет происходить процесс брожения навоза и разложения его на составляющие:

• метан (до 70%);
• углекислый газ (примерно 30%);
• другие газообразные вещества (1-2%).

Образовавшиеся газы поднимаются кверху емкости, откуда их затем выкачивают, а вниз оседает остаточный продукт – высококачественное органическое удобрение, сохранившее в результате обработки все ценные вещества, имеющиеся в навозе – азот и фосфор, и потерявшее значительную часть патогенных микроорганизмов.

Реактор для получения биогаза должен иметь полностью герметичную конструкцию, в которой отсутствует кислород, в противном случае процесс разложения навоза будет проходить крайне медленно

Второе важное условие для эффективного разложения навоза и образования биогаза – соблюдение температурного режима. Бактерии, принимающие участие в процессе, активизируются при температуре от +30 градусов

Причем в навозе содержится два вида бактерий:

• мезофильные. Их жизнедеятельность происходит при температуре +30 – +40 градусов;
• термофильные. Для их размножения необходимо соблюсти температурный режим +50 (+60) градусов.

Время переработки сырья в установках первого типа зависит от состава смеси и составляет от 12 до 30 суток. При этом 1 литр полезной площади реактора дает 2 л биотоплива.  При использовании установок второго типа время выработки конечного продукта сокращается до трех дней, а количество биогаза возрастает до 4,5 л.

Эффективность термофильных установок видна невооруженным глазом, однако и цена их обслуживания очень высока, поэтому прежде чем выбрать тот или иной способ получения биогаза, необходимо очень тщательно все просчитать

Несмотря на то, что эффективность термофильных установок в десятки раз выше, применяются они гораздо реже, поскольку поддержание высоких температур в реакторе связано с большими расходами.

Обслуживание и содержание установок мезофильного типа дешевле, поэтому большинство фермерских хозяйств для получения биогаза используют именно их.

Биогаз по критериям энергетического потенциала немногим уступает привычному газовому топливу. Однако в его составе есть сернокислые испарения, наличие которых следует учесть при выборе материалов для сооружения установки

Сравнение биогаза с другими источниками энергии

Делаем самостоятельно освещение лестницы

Биотопливо обладает многими преимуществами перед альтернативными источниками энергии. Их можно перечислить в следующем порядке:

1. Сырьё практически не обладает себестоимостью.
2. Биогазовая установка может быть расположена в любом месте, где есть источник биомассы.
3. Использование биогаза направлено на выделение тепловой, электрической энергии и даже автомобильного топлива.
4. Установка для получения биогаза создаёт условия автономного существования фермерского и домашнего хозяйства, независимо от других дорогостоящих источников энергии.
5. По затратам на создание биоустановки (3-4 тыс. евро на 1 кВт мощности) себестоимость производства биогаза занимает место между атомными (5 тыс. евро) и угольными (2 тыс. евро) энергопредприятиями.

Как получить биогаз в домашних условиях?

Операция первая – измельчение отходов до фракции, чей размер не более 10 мм. Так гораздо легче приготовить субстрат, да и бактериям будет проще перерабатывать сырье. Получившаяся масса тщательно перемешивается с водой, ее количество – около 0.7 л на 1 кг органики. Как уже сказано выше, воду следует использовать только чистую. Затем субстратом заполняется биогазовая установка, сделанная своими руками, после чего реактор герметично закрывается.

Несколько раз в течении дня надо наведываться к емкости, чтобы перемешать содержимое. На 5-й день можно проверять наличие газа, и буде он появится, периодически откачивать его компрессором в баллон. Если этого вовремя не делать, то давление внутри реактора возрастет и брожение замедлится, а то и остановится вовсе. Спустя 15 дней надо производить выгрузку части субстрата и добавление такого же количество нового. Подробности можно узнать, просмотрев видео:

Принцип работы

Процесс преобразования органического сырья в биогаз называется ферментацией. Сырьё загружается в специальную ёмкость, обеспечивающую надёжную защиту биомассы от доступа кислорода. Событие, происходящее без вмешательства кислорода, называется анаэробным.

Под воздействием специальных бактерий в анаэробной среде начинает происходить ферментация. По мере развития брожения сырьё покрывается коркой, которую необходимо регулярно разрушать. Разрушение производится с помощью тщательного перемешивания.

Перемешивать содержимое требуется минимум два раза в сутки, не нарушая при этом герметичности процесса. Кроме удаления корки промешивания позволяет равномерно распределить кислотность и температуру внутри органической массы. В результате этих манипуляций вырабатывается биогаз.

Полученный газ собирается в газгольдере, оттуда по трубам доставляется потребителю. Биоудобрения, полученные после переработки исходного сырья, можно использовать как пищевую добавку для животных или добавлять в почву. Такое удобрение называется компостным перегноем.

Биогазовая установка включает в себя следующие элементы:

• ёмкость гомогенизации;
• реактор;
• мешалки;
• резервуар для хранения (gas-holder);
• комплекс отопления и смешивания воды;
• газовый комплекс;
• комплекс насосов;
• сепаратор;
• датчики контроля;
• КИПиА с визуализацией;
• система безопасности;

Пример биогазовой установки промышленного типа приведен на схеме 2.

Биогаз своими руками

Тот, кто живёт за городом, хорошо знает, что отапливать дом и готовить пищу пока, при нынешних ценах на энергоносители, выгоднее всего магистральным газом. Но подключение к трубе с «голубым топливом» может влететь в копеечку, даже если магистраль проходит по границе с участком. Поэтому домовладельцы ищут способы как сэкономить и при этом не превратиться в истопника или кочегара. Команда инженеров из Израиля предлагает одно из решений проблемы, «чем заменить баллонный газ для плиты». Для этого энтузиасты альтернативной энергии разработали портативную установку для производства биогаза в домашних условиях.

Яир Теллер

Наша команда предлагает использовать отходы еды, жидких удобрений и навоза для производства биогаза. Конечно, мощности установки общим объёмом около 2 куб. м недостаточно, чтобы извлекать из биомассы газ, которого хватит для системы отопления. Но, как показала практика, выработанного газа хватает, чтобы подключить к установке портативную газовую плитку и готовить на ней еду.

Установка представляет собой закрытую ёмкость — реактор объёмом 1200 литров, заполненный водой, в который сбрасываются отходы.

Установка сделана из гибкого высокопрочного растягивающегося материала.

Сверху монтируется вторая ёмкость для сбора полученного газа объёмом на 700 литров.

По словам разработчиков, всё, что нужно пользователю — через специальный приёмник поместить в установку органические отходы, а остальное сделают бактерии.

Яир Теллер

Из органических бытовых отходов среднестатистической семьи можно получить энергию — газ-метан, которого хватит для работы одноконфорочной газовой плиты в течение трёх часов в день. Бактерии, находящиеся в реакторе, перерабатывают органические вещества и превращают их в биогаз и высококачественные жидкие удобрения, которые можно использовать для выращивания растений на огороде.

В разобранном виде биогазовая установка помещается в коробку размером 1000х450х400 мм.

Длина газового шланга может достигать 20 метров. Этого достаточно, чтобы разместить реактор на некотором удалении от дома, т.к. биогаз состоит из метана, углекислого газа и неприятно пахнущего сероводорода.

Монтаж установки занимает менее 1 часа.

После сборки реактор наполняется чистой водой, а для быстрого «запуска» процесса брожения, помимо биомассы — сырья, в установку сбрасывается специальный набор бактерий. После выхода на рабочий режим «подпитка» бактериями уже не требуется.

Хотя для работы устройства не требуется электричества, для эффективного процесса разложения биомассы нужна определённая температура. Лучше всего бактерии «работают» при температуре свыше 25 °C. При снижении температуры ниже 20 °C требуется обеспечить подогрев реактора и его монтаж в утеплённом помещении.

Установки, производящие биогаз в промышленных масштабах, оборудованы системой подогрева субстрата и специальной мешалкой. Перемешивание препятствует образованию на поверхности биомассы твёрдой корочки, сокращающей объём выделения биогаза.

Яир Теллер

Это уже наша вторая и более совершенная установка. Первая модель успешно прошла испытания в 2021 году. Теперь она используется более чем в 76 странах мира. Хотя систему по производству биогаза покупают разные люди, всех их объединяет одно — желание уменьшить загрязнение планеты отходами, а также стремление получать более дешевую энергию из альтернативных источников.

В теме — реальный опыт получения биогаза из куриного помёта. На FORUMHOUSE есть статьи, где рассказывается о выгоде эксплуатации самодельного солнечного коллектора в Подмосковье и нюансах выбора источника альтернативной энергии. В видеосюжете — реновация устаревшей котельной в загородном доме.