Биогаз для чайников

Биогаз для чайников.

1. Что такое биогаз.

2. Анаэробное брожение.

3. Распространенные заблуждения.

4. Кому это нужно.

5. Что можно получить.

5.1. Биогаз.

5.2. Тепловая энергия.

5.3. Электроэнергия.

5.4. Биогумус.

6. Хранение продуктов, произведенных биогазовой установкой.

7. С чего начинать.

8. Делаем сами.

8.1. «Китайская» яма.

8.2. Гибкий ферментатор.

8.3. «Всепогодная» установка.

9. Промышленные конструкции.

1. Что такое биогаз.

В ряду продуктов альтернативной энергетики биогаз занимает несколько особенное положение. Обычно все устройства альтернативной энергетики производят энергию из так называемых «возобновляемых источников». Так называемые они потому, что на самом деле энергия эта берется от солнца, причем временной промежуток между попаданием конкретной порции солнечной энергии на Землю и ее утилизацией устройствами альтернативной энергетики относительно небольшой, от нуля до максимум нескольких лет.

Солнечные фотоэлементы и солнечные нагревательные элементы утилизируют солнечную энергию сразу. Ветряные электростанции используют энергию воздуха, движущегося после нагревания солнцем. Гидроэлектростанции используют энергию текущей воды, которая перед этим была перемещена под воздействием энергии солнца. Жидкое топливо, полученное из биомассы (биодизель, биоэтанол, топливные брикеты и пеллеты, просто дрова) – это продукт, полученный из растительности, которая получила энергию для роста от солнца.

Биогаз тоже получается из биомассы, хотя и не только растительной. Поэтому сроки окупаемости устройств для получения биогаза (биогазовых установок или БГУ) могут иметь тот же порядок, что и сроки окупаемости других устройств альтернативной энергетики.

Биогаз, как и биоэтанол, производится с использованием биологических преобразований. В процессе этих преобразований биомасса разлагается как на энергетический продукт (биогаз, спирт), так и на органические отходы. В случае с получением биоэтанола такие отходы непосредственно представляют вред для окружающей среды, и только после энергоемкой переработки (сушки и измельчения) могут быть использованы в качестве корма для скота. При производстве биогаза отход, который образуется (шлам биогазовой установки), может быть использован непосредственно без каких-либо дополнительных преобразований. Он представляет собой прекрасное высокоэффективное и экологически безопасное удобрение. Ценность этого удобрения настолько высока, что сравнима или даже превосходит ценность вырабатываемого биогаза. Поэтому при правильной утилизации всех выходных продуктов БГУ срок ее окупаемости может быть существенно ниже, чем у всех других устройств альтернативной энергетики.

Теперь стоит сказать традиционные несколько слов о химическом составе биогаза. Конечно, об этом обязательно пишут в любой книжке или даже коротенькой газетной заметке. Но ведь эта книга предназначена для чайников, которые предположительно не читают книг и «советских газет перед едой», поэтому будем повторять прописные истины:

Биогаз преимущественно состоит из метана (CH4). Это тот же горючий газ, младший в ряду углеводородов, из которого преимущественно состоит так называемый «природный газ». Только в природном газе метана более 90%, а в биогазе – 45-75%. В жидкое состояние метан переходит при температуре -161,60C. Метан почти не растворим в воде. Метан легче воздуха. При комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении практически не вступает в химические реакции. Эти скучные цифры и факты понадобятся потом, чтобы развенчать некоторые заблуждения по поводу биогаза.

Второй значительный по объему компонент биогаза – углекислый газ (CO2). Это тот газ, который создает приятные пузырьки в газировке, пиве и шампанском. Он тяжелее воздуха. Он хорошо растворяется в холодной воде. При давлении больше 5,28 атм и комнатной температуре углекислота переходит в жидкое состояние. В биогазе содержится 25-55% углекислого газа.

Третий компонент биогаза – пары воды (H2O). Их количество зависит от температуры биогаза и условий его получения и хранения и составляет единицы процентов. Обычно биогаз осушают перед использованием.

Четвертый компонент биогаза, который часто присутствует в нем – сероводород (H2S). Его может содержаться в биогазе от 0 до 2%. Сероводород плохо растворяется в воде. При сжигании сероводорода получается сернистый газ (SO2). В большой концентрации сероводород разъедает металлы. Сернистый газ может служить источником получения серной кислоты.

Пятый компонент биогаза – аммиак (NH3). Обычно его концентрация не превышает процента. Это тоже агрессивный газ.

Остальные компоненты присутствуют в биогазе в виде следов в доли процента – азот, кислород, водород. Они не оказывают существенного влияния на его свойства.

При сжигании биогаза сгорает метан, содержащийся в нем. Теплота, образующаяся при сгорании биогаза, меньше теплоты, образующейся при сжигании природного газа, пропорционально соотношениям количеств метана в природном газе и биогазе. Поскольку в биогазе меньше метана, чем в природном газе, то для сгорания единицы объема биогаза нужно меньше воздуха, чем при сжигании такой же единицы объема природного газа. Поэтому, если применяются горелки для газа, в которых сжигается предварительно созданная смесь горючего газа и воздуха, то для таких горелок надо уменьшать подачу воздуха в смесь при сжигании биогаза. Это единственное изменение, которое имеет смысл вносить в бытовые газовые приборы при настройке их для работы на биогазе.

Смесь биогаза с воздухом может быть взрывоопасной. Но взрывоопасна она в гораздо более узком диапазоне соотношений воздуха и биогаза, чем для смеси природного газа и воздуха. Поэтому вероятность взрыва смеси биогаза с воздухом при утечке намного меньше, чем при утечках природного газа. Средняя плотность биогаза составляет примерно 1,13 кг/м3, то есть, в среднем он легче воздуха, плотность которого при комнатной температуре составляет около 1,2 кг/м3. Это значит, что при утечке биогаз будет улетучиваться вверх. Но биогаз также будет расслаиваться. Поэтому если биогаз улетучивается в помещении без сквозняков, то возле пола скопится углекислый газ, а возле потолка – метан.

2. Анаэробное брожение.

Биогаз – это продукт (один из продуктов) анаэробного брожения. Это значит, что биогаз выделяется при брожении органических веществ без доступа воздуха. А брожение – это процесс разложения под действием бактерий. Попросту говоря, брожение происходит, когда бактерии едят эту органику.

Процесс анаэробного брожения с выделением биогаза условно разделяют на четыре фазы по типу происходящих процессов. Это фаза гидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза. В каждой фазе работает свой тип бактерий, причем количество видов бактерий, участвующих в каждой фазе, насчитывается сотнями. На фазе гидролиза бактерии расщепляют белки, жиры и углеводы на более простые молекулы, типа сахаров, аминокислот и т.п. На фазе ацидогенеза образуются различные органические кислоты. На фазе ацетогенеза образуется уксусная кислота. И на фазе метаногенеза образуется биогаз. Это описание фаз весьма приблизительно. Каждая фаза описывается множеством химических уравнений. Одновременно происходит несколько различных реакций на каждой фазе. Количественное соотношение этих реакций зависит от типа перерабатываемого сырья, от видов участвующих на этом этапе бактерий и множества других факторов. Поэтому невозможно абсолютно точно просчитать и предсказать характер протекания реакции и количественные показатели на выходе.

Процесс анаэробного брожения различают также по температуре его протекания. Есть три температурных диапазона, при которых наблюдаются локальные максимумы интенсивности процесса брожения. Косвенным показателем этой интенсивности является объем выделяемого биогаза в единицу времени. Первый температурный режим анаэробного брожения называется психрофильным. Психрофильное брожение происходит в диапазоне температур 15-250C. Второй температурный режим называется мезофильным. Мезофильное брожение происходит в диапазоне температур 30-400C. Третий температурный режим называется термофильным. Термофильное брожение происходит в диапазоне температур 50-560C.

В каждом более теплом температурном режиме метаболизм бактерий происходит примерно в два раза быстрее, чем в предыдущем. Соответственно, биогаз выделяется примерно в два раза быстрее. Но более высокотемпературный процесс менее устойчив и более капризен, чем предыдущий. Поэтому самые простые биогазовые установки работают обычно в психрофильном режиме. Большие промышленные установки работают обычно в мезофильном режиме.

Обычно у всех «чайников» возникает вопрос: откуда берутся эти бактерии, которые обеспечивают анаэробное брожение? Ответ простой: эти бактерии живут в желудках практически всех животных на земле. Особенно много бактерий третьей и четвертой фаз брожения находится в желудках жвачных животных (коровы, овцы, кони, козы и т.д.).

Как всем известно, нормальная температура тела у млекопитающих на Земле лежит в диапазоне 35-400C. Например, для человека это 36,60C. Отсюда становится понятно, почему большинство биогазовых установок работают в мезофильном режиме при температуре реакции 37-380С.

Кстати, бактерии, работающие в двух первых фазах, эффективнее функционируют при температурах психрофильного режима. Поэтому существует технология двухстадийного анаэробного брожения, когда реакция происходит в двух последовательно соединенных емкостях. В первой емкости происходят две первые фазы анаэробного брожения при температуре 250C. Во второй емкости происходят третья и четвертая фазы при температуре 37-380C. Такое решение позволяет оптимизировать и стабилизировать протекание процесса для некоторых типов сырья.

До сих пор нет единого мнения по поводу того, какие бактерии работают на третьей и четвертой фазах в разных температурных режимах. Одни утверждают, что это разные виды бактерий. В реальном мире они есть повсюду, но активизируются, только попав в подходящие условия. Другая теория гласит, что это одни и те же бактерии приспосабливаются к разным температурам и работают в разных режимах метаболизма.

Если взять какое-нибудь подходящее органическое сырье, поместить его в подходящую герметичную емкость с газоотводом и обеспечивать поддержание стабильной температуры соответствующего режима и периодическое перемешивание, то получится лабораторная биогазовая установка с однократной загрузкой. График зависимости скорости выделения биогаза от прошедшего времени брожения будет выглядеть в виде плавного горба. Это легко объяснимо. Сначала начинаются первые стадии брожения, а потом уже в действие вступают последние стадии. Но количество органического сырья в лабораторном реакторе ограничено. Это вещество разлагается, количество неразложенной органики уменьшается, и выход биогаза падает. Постепенно выход упадет до нуля. Это будет означать, что вся органика в сырье разложилась до неорганических солей. Процесс полного разложения даже в термофильном режиме занимает очень значительное время. В мезофильном режиме это время измеряется месяцами. Однако, если принять во внимание только значения выхода биогаза, близкие к максимальным, то такое время будет лежать в диапазоне двух-четырех недель для мезофильного режима. Время это зависит от состава исходного сырья и называется длительностью цикла анаэробного брожения. Естественно, что если остановить брожение в конце этого цикла, то в реакторе останется частично разложенная органика. Обычно глубина разложения органики в конце цикла составляет 40-60%. Это значит, что в конечном субстрате масса органики составляет 40-60% от массы органики в субстрате, которым был изначально заполнен реактор. На такое «недображивание» идут сознательно с целью получения максимальной скорости выхода биогаза и минимизации размеров биогазовой установки.

Обычно биогазовые установки не работают так, как в лаборатории. В них сразу закладывают полную порцию сырья, чтобы заполнить реактор. Потом, когда реакция начинается и стабилизируется, сырье добавляют регулярно небольшими порциями, одновременно сливая перебродившую массу. Поэтому понятие длительности цикла для них заменяется понятием «времени гидравлического пребывания» в реакторе. Это условная величина, которая характеризует среднее время, которое проведет в реакторе очередная порция свежего субстрата.

3. Распространенные заблуждения.

За длительное время общения с «чайниками» в технологиях анаэробного брожения собралась коллекция самых распространенных заблуждений на тему биогаза и биогазовых установок. Попробуем проанализировать их здесь.

Первое и самое распространенное заблуждение – это когда «чайники» считают, что биогазовая установка предназначена для получения энергии, и что они себя с помощью биогазовой установки этой самой энергией дешево обеспечат. На самом деле, биогазовая установка предназначена в первую очередь для утилизации вредных для окружающей среды органических отходов и превращения их в полезное и эффективное органическое биоудобрение. Энергия – побочный продукт работы биогазовой установки. Поэтому, если у Вас нет стабильного источника достаточного количества бесплатных или дешевых органических отходов, не стоит задумываться о биогазовой установке. Купите лучше дров или угля, дешевле и проще получится.

Второе заблуждение – это то, что биогазовая установка якобы может представлять какую-то опасность для окружающих. Конечно, абсолютно безопасной ее назвать нельзя так же, как и любое другое техническое устройство. Но реактор БГУ не может взорваться от высокого давления, потому что относительное давление в нем не превышает сотых долей атмосферы. Биогаз в газгольдере не может взорваться, потому что он не смешан с воздухом, и, даже если каким-то чудом внутри газгольдера проскочит искра, она ничего не сможет зажечь. В выходном шламе из реактора нет болезнетворных бактерий, нет яиц глистов и всхожих семян сорняков. Высушенный и измельченный в муку шлам даже применяют в качестве кормовой добавки для скота. Утечка биогаза в проветриваемом помещении или на открытом воздухе не приведет к отравлению или удушью окружающих, так как биогаз быстро улетучится в воздух.

Третье заблуждение – это то, что пищевых отходов и стоков туалета обычной семьи хватит для обогрева частного дома. Если бы все было так чудесно просто, то энергетические компании не правили бы миром. В дальнейших главах будет показано, сколько биогаза можно получить из определенного количества сырья и почему. Но фактически, биогазовая установка – это сельскохозяйственная техника, ибо только в сельском хозяйстве и пищевой промышленности может возникать достаточное количество органических отходов для того, чтобы экономически оправдать целесообразность их переработки методом анаэробного брожения.

Четвертое заблуждение – это то, что из полученного в малой биогазовой установке биогаза можно будет выработать электроэнергию, получить тепло для обогрева дома и топливо для заправки автомобиля. Да, теоретически все это возможно. И практически все это делают, но только на больших промышленных биогазовых установках. Устройство, которое позволяет получить из биогаза электрическую и тепловую энергию, называется когенератор. Бывают газопоршневые и газотурбинные когенераторы. Первые сделаны на базе двигателей внутреннего сгорания, вторые – на базе газотурбинного двигателя. Промышленно выпускаемые когенераторы рассчитаны на большие объемы потребляемого биогаза и на большие генерируемые электрические мощности. Из 1 м3 биогаза можно выработать до 2,3 кВт*ч электрической энергии. А модели промышленных когенераторов обычно начинаются с электрических мощностей в 50 кВт. То есть, в сутки такой когенератор при работе на номинальном режиме потребляет 50*24/2,3=522 м3 биогаза. Малые же биогазовые установки обычно в сутки выдают 5-50 м3 биогаза. Удельная стоимость серийно выпускаемых когенераторов составляет от 500 до 2000 USD за 1 кВт электрической мощности. В продаже в некоторых странах можно найти газопоршневые генераторы резервного электропитания малой мощности. Некоторые из них способны работать на биогазе. Но они не рассчитаны на круглосуточную работу без перерывов, имеют малый мотогресурс и не вырабатывают тепловую энергию. Также обычно у них пониженный КПД, то есть из 1 м3 биогаза они выработают менее 2 кВт*ч электроэнергии.

Тепло для обогрева дома получить можно, но не всегда и при условии хорошей теплоизоляции этого дома. Надо помнить, что теплотворная способность биогаза составляет около 2/3 теплотворной способности природного газа, поэтому для обогрева биогаза надо в 1,5 раза больше, чем природного газа.

Для автомобиля с бензиновым двигателем после дополнения специальными системами можно применять в качестве топлива метан. Обычно природный газ (состоящий более, чем на 90% из метана) сжимают до давления 200 атм и заполняют баллоны. Один или несколько таких баллонов размещается в автомобиле, двигатель которого работает на таком топливе. Биогаз же имеет гораздо большее количество примесей, чем природный газ. Поэтому под него нужно специально настраивать двигатель внутреннего сгорания. Также биогаз невозможно напрямую сжать до 200 атм из-за высокого содержания углекислого газа. В первой главе я не зря указал характеристики углекислого газа. При таком давлении углекислый газ затвердеет. А если ограничиться сжатием до 5 атм, то в баллоны поместится слишком маленький запас топлива. А задача очистки биогаза от углекислого газа (доведение до состояния «биометана») очень непростая и недешевая. Промышленные устройства очистки рассчитаны на большие перерабатываемые объемы и стоят многие сотни тысяч USD.

Пятое заблуждение – это когда люди считают, что достаточно выкопать яму, укрепить стенки, загерметизировать свод и засыпать в эту яму навоз, траву и листья, и выделяемым биогазом можно будет всю зиму отапливать жилище. Мнение такое не возникло на пустом месте, а базируется на гуляющих в сети Интернет картинках китайских/вьетнамских/индийских/африканских биогазовых установок ямного типа и бредовом сочинении какого-то журналиста про якобы успешный вышеописанный опыт где-то в России. Всем страждущим следует обратить внимание, что все реально эксплуатирующиеся биогазовые установки ямного типа находятся в странах с теплым климатом. Никто не слышал о миллионе установок, ну хотя бы в Турции? А ведь там уже относительно тепло!

Дело в том, что простые установки в виде армированной ямы в земле практически никак не теплоизолированы от грунта, в котором они расположены. В большинстве случаев грунт этот влажный. Поэтому почти всегда грунт является хорошим проводником тепла. А температура грунта в таких странах, как Украина, Белоруссия, Россия на глубине более 1 м круглый год составляет около 100C. Выше я написал, что психрофильный режим начинается с 150C. А реально заметный выход биогаза в психрофильном режиме начинается после достижения субстратом температуры 200C. В описанных выше теплых странах грунт обычно прогрет на глубину несколько десятков метров до температуры 20-300C. Поэтому, если в этих странах грунт действует, как бесплатный нагреватель, то в наших широтах грунт действует, как холодильник. Даже если подогревать субстрат, то из-за высокой теплопроводности грунта мы будет просто греть окружающий грунт.

4. Кому это нужно.

Вопрос несколько риторический. Возможно, надо было бы спросить: «Кому это можно?» Но нельзя давить энтузиазм в зародыше. Поэтому здесь я опишу, кому, в первую очередь, есть смысл подумать о создании и эксплуатации биогазовой установки.

Ответ достаточно простой. Думать об анаэробной переработке органического сырья следует тому, у кого это сырье образуется регулярно, дешево и в достаточных количествах. Почти наверняка при этом существует проблема утилизации такого сырья, потому что очень часто это сырье представляет собой опасность для окружающей среды. Решение задачи утилизации этого сырья сразу же минимизирует затраты или вообще избавляет от затрат на такую утилизацию. Это первая и главная причина для создания биогазовой установки. Второй побудительной причиной является энергия, которую можно получить в процессе анаэробного брожения органического сырья. Обычно этот фактор выносят во главу угла. Ну и третье – это получение из вредных для экологии органических отходов чрезвычайно полезного органического биоудобрения.

В зависимости от ежесуточно образующейся порции сырья можно думать о создании малой, средней или большой биогазовой установки. Такое деление по размерам – весьма условно. Скорее, стоит делить установки по функциональности и степени автоматизации. Но вполне естественно, когда более крупные по размерам и пропускной способности биогазовые установки наделяют дополнительными функциями и минимизируют применение труда человека для их обслуживания.

Наличие сырья – необходимое условие, но не достаточное. Еще понадобится площадка для размещения биогазовой установки. Редко удается создать настолько мобильную конструкцию, чтобы без больших усилий и затрат иметь возможность демонтировать и перемещать установку на другое место. Поэтому очень важно, чтобы место будущего размещения установки было в Вашей собственности или же в долгосрочной аренде. Чем больше размер будущей установки, тем с большей степенью вероятности Вам понадобятся официальные разрешения на размещение такого объекта. Значит, участок должен находиться в такой зоне, где разрешено промышленное строительство, и иметь соответствующий статус. К участку должны быть подведены коммуникации, в зависимости от конструкции будущей установки и типа сырья. Обычно нужны подвод электроэнергии, технической воды, иногда природного газа, отвод канализации. Для крупной установки очень не помешают хорошие подъездные пути.

Также понадобятся соответствующие финансовые средства. Биогазовая установка – объект очень недешевый. Затраты на малые биогазовые установки обычно начинаются от нескольких тысяч USD. Средние установки – десятки тысяч. Стоимость больших установок начинается от нескольких сотен тысяч USD, однако, действительно большие проекты требуют миллионных вложений.

Редко у кого есть достаточное количество собственных средств, поэтому стоит подумать об источниках финансирования, поискать возможности привлечения инвестиций. Срок окупаемости правильно эксплуатирующихся биогазовых установок составляет от одного года до пяти лет. Доход от эксплуатации установки появляется с заметной задержкой после начала финансирования, так как требуется время на монтаж и запуск установки. Для малых установок это время составляет от одной недели до пары месяцев, для больших установок – от нескольких месяцев до пары лет. Проблема с большими установками состоит не только в объемах строительства, но и в необходимости составлять и утверждать проектную документацию на объект промышленного строительства. Иногда получение разрешений на проектирование и утверждение проектной документации по времени может превысить в несколько раз длительность собственно строительства и запуска в эксплуатацию.

Поэтому финансовые средства должны привлекаться с условием начала графика погашения с задержкой до запуска объекта в эксплуатацию.

Ну и наконец, самым главным условием для создания биогазовой установки является большое желание владельца будущей установки. Без этого обязательного условия остальные факторы не имеют смысла. И наоборот, если есть очень сильное желание, то можно найти и все остальное, даже если изначально его нет.

5. Что можно получить.

Биогазовые установки имеют одно важное коренное отличие от всех остальных устройств альтернативной энергетики. Как и при использовании других устройств альтернативной энергетики, конечным продуктом работы биогазовой установки может быть произведенная энергия, чаще всего тепловая и/или электрическая. Но помимо энергии на выходе всегда образуется (но не всегда используется) другой продукт – высокоэффективное органическое биоудобрение. Третий продукт не является материальным, но за него можно получить вполне реальные весомые деньги. Это и утилизация отходов, и продажа квот парниковых выбросов по Киотскому протоколу. Конечно, этот источник дохода доступен, прежде всего, владельцам больших БГУ, однако, даже маленькая установка может заниматься утилизацией, например, отходов бойни, завода производству биодизеля и т.п. В случае утилизации отходов это может быть основной причиной для строительства биогазовой установки. Преимущества утилизации методом анаэробного брожения заключатся в том, что такой техпроцесс утилизации не является энергоемким, а наоборот, выделяет энергию. Вредность же исходных отходов для окружающей среды после прохождения процедуры анаэробного брожения меняет знак с минуса на плюс, и выходной продукт становится уже чрезвычайно полезным и восстанавливающим плодородные свойства почвы.

Рассмотрим теперь по отдельности все продукты, которые можно получить на выходе биогазовой установки.

5.1. Биогаз.

В первой главе мы уже рассматривали свойства и состав биогаза. Биогаз – это газообразная часть продуктов анаэробного разложения органических веществ, являющегося результатом жизнедеятельности симбиоза множества видов бактерий. То есть, процесс анаэробного брожения - биологический процесс. Он существуют сам по себе и в природных условиях: во-первых, в желудках животных организмов нашей планеты, а во-вторых, в толще грунта или на дне водоемов, где затруднен доступ кислорода. Биогазовая установка – эквивалент аквариума, в котором содержатся не рыбы, а специальные бактерии.

В силу таких исходно биологических свойств техпроцесса работы биогазовой установки невозможно абсолютно точно подсчитать заранее такие выходные параметры, как конкретный набор химических реакций, глубину разложения биомассы, удельный выход биогаза и его состав. Количество «внешних» факторов, влияющих на техпроцесс (управляющие воздействия) весьма ограничено. Обычно это температура, градиент температуры и скорость изменения температуры внутри реактора, степень герметичности реактора, частота подачи в реактор и размер порции свежего сырья, частота выемки шлама, частота и длительность циклов перемешивания субстрата внутри реактора. Естественные же «внутренние» факторы описываются тысячами возможных параметров. Одних только видов бактерий, участвующих в процессе, может быть больше тысячи, а есть еще химический состав и физические кондиции исходного сырья.

Рассчитать все это практически невозможно. Поэтому при проектировании биогазовых установок используют экспериментальные результаты, полученные на лабораторных установках, моделирующих требуемый техпроцесс в миниатюре. Также собирается статистика действующих больших БГУ. Статистические данные обрабатываются, группируются, и в результате получаются таблицы рекомендованных параметров техпроцесса и примерные выходные параметры при применении различных типов сырья. Но разброс величин в таких таблицах составляет до 50%.

Поэтому предсказать, например, суточный выход и состав биогаза для проектируемой биогазовой установки изначально можно именно с подобной точностью. Для увеличения точности расчетов до нескольких процентов, необходимо провести лабораторный эксперимент и соответствующие измерения. Тем не менее, простейшие расчеты позволят хотя бы оценить границы выхода биогаза, особенно верхнюю.

Как известно, исходное сырье состоит из воды и так называемого сухого вещества (СВ). Соотношение воды и сухого вещества сырья характеризуется таким параметром, как влажность.

Сухое вещество сырья состоит из органических (ОСВ) и неорганических веществ. Соотношение неорганических и органических веществ характеризуется таким параметром, как зольность.

Для получения этих параметров, необходимо взять пробы сырья и произвести соответствующие анализы в лаборатории.

Итак, зная тип сырья, и его влажность и зольность, можно посчитать, сколько органического вещества содержится в единице массы сырья. Зная суточное количество исходного сырья, можно посчитать, сколько ОСВ будет попадать в реактор биогазовой установки ежесуточно.

В статистических таблицах обычно указывают, какой объем биогаза выделится из единицы массы ОСВ на протяжении оптимальной длительности цикла брожения этого типа сырья. Обычно, эта величина составляет от 0,2 до 0,8 м3/кг ОСВ. Плотность биогаза составляет примерно 1,13 кг/м3. Поэтому, если бы все органическое вещество превратилось в биогаз, то выход биогаза составил бы 0,885 м3/кг ОСВ. Однако, в процессе анаэробного брожения получается не только биогаз, но также и вода, причем масса выделившейся воды может быть равна массе выделившегося биогаза. Соотношение выделяющихся воды и биогаза зависит от преобладания в процессе тех или иных химических реакций, а оно, в свою очередь, зависит от бактериального состава и исходного состава сырья. Помимо воды и биогаза, образуется еще и некоторое количество минеральных солей.

Кроме того, оптимальная длительность цикла обычно выбирается по критерию максимальной скорости выхода биогаза. После разложения около половины ОСВ в составе сырья скорость выделения биогаза обычно заметно падает. Это связано с тем, что органический состав ОСВ в исходном сырье достаточно неоднороден. Поэтому вначале разлагаются быстрорасщепляемые вещества, а «долгоиграющие» компоненты, типа лигнина, за этот срок остаются почти нетронутыми. Таким образом, глубина разложения биомассы в реакторах БГУ обычно составляет 40-60%. Эта величина может быть больше только при применении однородного искусственно созданного органического сырья, типа глицерина, либо при применении предварительной глубокой гомогенизации сырья, типа кавитационного измельчения, разрушающего даже молекулярные связи.

Вот и получается, что реально из 1 кг ОСВ можно выжать 0,3-0,5 куб.м биогаза.

Теперь разберем это все на примере. Допустим, что в Вашем хозяйстве есть 5 коров, которые стоят в стойле. Их навоз вместе с мочой собирается в отдельную канаву. Влажность такой смеси навоза с мочой обычно составляет около 85%. Суточный выход навоза без мочи у одной коровы доходит до 35 кг. Влажность навоза без мочи обычно составляет около 70%. Плотность навоза без мочи составляет около 950 кг/м3. Зольность сухой фракции коровьего навоза составляет от 2 до 20%, в зависимости от метода сбора навоза. То есть, все зависит от того, как много примесей песка и камней попадет в навоз. В данном случае зольность должна быть не выше 5 %. Влажность и зольность выбраны из статистических данных, а плотность можно измерить самостоятельно «методом Архимеда» с помощью пружинных весов и ведра.

Из 5 коров в сутки соберется 35*5=175 кг навоза. В этом навозе будет 175*(100-70)/100=52,5 кг сухого вещества. В этом сухом веществе будет 52,5*(100-5)/100=49,875 кг органического сухого вещества. Используя статистически полученное значение удельного выхода биогаза из коровьего навоза 0,4 м3/кг, получим суточный выход биогаза 49,875*0,4=19,95 м3. Следует пояснить, почему мы из удельного выхода биогаза из 1 кг ОСВ за весь цикл брожения получаем суточный выход. Дело в том, что биогазовые установки практически всегда работают в непрерывном цикле. Это обозначает, что каждые сутки в них добавляется суточная доза субстрата, а получившийся излишек шлама сливается. Шлама сливается чуть меньше, чем заливается субстрата, потому что часть содержимого реактора вышла наружу в виде биогаза. Объем реактора выбирается такой, чтобы рабочее пространство реактора вмещало количество суточных доз субстрата, умноженных на длительность цикла в сутках. Так получится, что среднее время пребывания субстрата в реакторе и составит один цикл. Можно представить реактор, как конвейер, длина которого соответствует объему рабочей области реактора. Суточная доза – это один объект на конвейере. Конвейер имеет длину, соответствующую количеству объектов, равному длине цикла в сутках. В сутки конвейер сдвигается на одну дозу. Получается, что скорость переработки составляет 1 дозу в сутки, но благодаря длине конвейера, эта доза находится на нем всю длительность цикла.

За все время цикла должно выделиться столько биогаза, сколько сырья находится внутри реактора. Например, рекомендованная длительность цикла брожения коровьего навоза в мезофильном режиме составляет 16 суток. Значит, внутри реактора всегда находится 16 суточных объемов субстрата. За 16 суток из реактора должно выделиться в 16 раз больше биогаза, чем из одной суточной порции субстрата. Но за одни сутки выделится 16/16=1 порция биогаза, как из суточной порции субстрата за полное время цикла.

Теперь рассмотрим, насколько точно мы сделали расчет суточного выхода биогаза. Если посмотреть накопленную в мире статистику по удельному выходу биогаза из навоза КРС, то величина выхода будет лежать в пределах 0,1-0,8 м3/кг ОСВ. Значит, выход биогаза может соответственно колебаться от 5 до 40 м3. Замечу только, что мой опыт указывает мне в сторону величины 5 м3.

Есть еще одна статистическая величина, при помощи которой мы можем проверить наши расчеты. На больших биогазовых установках собрана статистика по удельному суточному выходу биогаза по отношению к объему реактора. Обычно для коровьего навоза это 0,8-0,9 м3 биогаза на 1 м3 полного объема реактора в сутки.

Посчитаем объем реактора для нашего примера. В сутки мы имеем эквивалент 175 кг навоза влажностью 70%. Мы добавим воду для получения субстрата влажностью 90% (для малой биогазовой установки трудно будет оперировать с субстратом меньшей влажности из-за высокой вязкости). Таким образом, мы получим в сутки 175*(100-70)/(100-90)=525 кг субстрата. Значит, мы добавили 525-175=350 кг (или л) воды. Объем исходного навоза составлял 175/950=0,184 м3, или 184 литра. Значит, общий объем суточной порции субстрата составляет 184+350=534 л. Объем рабочей части реактора должен составить 534*16=8544 л, или 8,544 м3. Обычно, объем газового буфера реактора составляет 20% его общего объема, соответственно, объем рабочей области реактора составляет 80% его объема. Тогда полный объем реактора должен составить 8,544/80*100=10,68 м3.

Выход биогаза из такого реактора, работающего на коровьем навозе должен быть в пределах 8,5 – 9,6 м3. Это значит, что коэффициент 0,4 м3/кг ОСВ, который мы изначально взяли для расчетов, завышен в два раза. Нельзя утверждать, что он неверный, вполне возможен и такой случай, но чаще всего так не бывает.

Резюмируя все расчеты, показанные в этой главе по поводу получения биогаза, могу посоветовать только одно: «Будьте пессимистами!» Пока Вы не исследовали экспериментально конкретное сырье, для переработки которого вы собираетесь строить биогазовую установку, берите для расчетов нижнюю планку из статистических таблиц.

5.2. Тепловая энергия.

Биогазовая установка не вырабатывает тепловую энергию непосредственно, она ее потребляет. Температура самого распространенного режима работы биогазовых установок – мезофильного – составляет 37-380C, что выше, чем среднесуточная температура в европейских широтах, причем даже пиковые дневные температуры обычно ниже этой величины. Среди химических реакций, происходящих внутри биогазовой установки, есть как экзотермические, так и эндотермические. Но суммарный тепловой баланс реакций вместе с тепловым обменом с окружающей средой в наших широтах получается отрицательным. Поэтому в наших широтах подогревать субстрат в реакторе биогазовой установки приходится всегда.

Однако, биогаз, который выделяется в результате анаэробного брожения, содержит примерно 2/3 метана в своем составе. Поэтому самое первое применение для биогаза – сжигание для получения тепловой энергии. Сжигание такое производится в обычных газовых котлах или горелках, которые используются для сжигания природного газа или пропан-бутана. Но, как было сказано в первой главе, для оптимального сжигания биогаза желательно регулировать состав газово-воздушной смеси, если образование такой смеси перед сжиганием предусмотрено конструкцией горелки. Однако, если горелки рассчитаны и на природный газ и на пропан-бутан, это обозначает, что такая регулировка возможна, либо не нужна, поскольку для природного газа и пропан-бутана тоже нужна разная дозировка воздуха.

Теплотворную способность биогаза можно выразить в калориях или джоулях. Но, думаю, для обычного человека более понятным будет сравнение биогаза по теплотворной способности с природным газом. И там, и там сгорает метан, содержащийся в этих газах. Значит энергия, выделяемая при сгорании этих газов, пропорциональна количеству содержащегося в них метана. В природном газе содержится 92-98% метана, а в биогазе – 55-75%. Возьмем средние величины – 95% и 65%. Соотношение метана в этих газах получается 65/95=0,68. Это примерно две трети. Значит, для выполнения одной и той же тепловой работы (нагрева помещения, приготовления пищи) биогаза надо в полтора раза больше, чем природного газа.

КПД газовых котлов обычно составляет 90-95%. При работе газового котла на биогазе КПД может получиться меньшим из-за неточных настроек газо-воздушной смеси.

Еще одним способом получения тепла является когенерация. Когенераторы – устройства для получения из биогаза (и не только) одновременно нескольких видов энергии, обычно электрической и тепловой. Бывают поршневые и газотурбинные когенераторы. В первом случае работает классический двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, топливом для которого служит биогаз. Иногда это может быть дизельный двигатель, работающий на смеси солярки и биогаза. Тепловая энергия снимается с такого когенератора в виде горячей воды температурой около 750C, циркулирующей через теплообменник когенератора и нагревающейся там. А теплообменник, в свою очередь, может греться теплоносителем, охлаждающим рубашку двигателя, маслом картера и выхлопными газами. Тепловой КПД при этом может достигать 35-40%. Это неплохо, учитывая еще электрический КПД 30-33%.

Во втором случае работает газовая турбина на биогазе. Тепловая энергия снимается тоже в виде горячей воды, циркулирующей через теплообменник.

Таким образом, утилизация тепла, выработанного из биогаза, зависит от вида нагретого рабочего тела. Горячую воду направляют циркулировать по различным трубам и батареям отопления.

Горячими продуктами сгорания биогаза непосредственно греют емкости с водой, пищей, поверхности нагревателей и т.п. Попросту говоря, применение биогаза для получения тепловой энергии ничем кардинально не отличается от применения для этих же целей природного газа или сжиженного пропан-бутана.

5.3. Электроэнергия.

Самым широко распространенным способом получения электрической энергии из биогаза является использование газопоршневых генераторов на базе двигателей внутреннего сгорания. В данном случае топливом для такого двигателя служит биогаз. С выходным валом такого двигателя соединен электрический генератор. Чаще всего это генератор переменного тока. В большинстве случаев, а для генераторов мощностей от 10 кВт и выше - поголовно, генератор этот вырабатывает трехфазный переменный ток той частоты и напряжения, которые приняты в качестве стандартных в стране применения этого генератора. Так, например, для европейских стран, в т.ч. и стран бывшего СССР, это 50 Гц 400 В. Почему 400 В, а не 380 В? Потому что обычно такой генератор подсоединяют к общей электрической сети, соответственно, напряжение на выходе генератора должно быть немного больше (в холостом режиме), чем напряжение в этой сети, чтобы ток пошел из генератора в сеть, а не обратно.

Частота вращения электрогенератора 50 Гц обеспечивается электронной системой управления двигателя внутреннего сгорания, регулирующей подачу топлива в зависимости от скорости вращения выходного вала. Эта система также может синхронизировать частоту вращения вала с частотой в общественной сети, к которой подключен генератор.

Вторым способом получения электрической энергии из биогаза является использование газотурбинного двигателя. Частота вращения вала турбины в газотурбинном двигателе на порядки выше, чем частота вращения вала поршневого двигателя внутреннего сгорания. Из-за большого момента инерции турбины невозможно резко изменять частоту ее вращения. Поэтому обычно турбина вращает генератор постоянного тока. Постоянный ток проходит через электронный инвертор и на выходе формируется ток заданного напряжения, частоты и фазности. Точно такие же инверторы ставятся для получения электроэнергии от ветряков и солнечных панелей. И точно так же, как и в этих случаях, в газотурбинных генераторах применяются еще и аккумуляторные батареи, которые демпфируют неравномерность потребления электрического тока переменной нагрузкой у потребителя. Поэтому удельная стоимость одного киловатта электрической мощности газопоршневого генератора существенно ниже, чем газотурбинного. Но при этом стоимость технического обслуживания газопоршневых генераторов существенно выше, а срок службы до капитального ремонта – существенно ниже.