04 июня 2016г.
Аннотация
На сегодняшний день в мире разработаны и применяются биогазовые технологии, основанные на использовании различных температурных режимов, влажности, состава перерабатываемого сырья, длительности брожения биореакций, а также разработаны различные виды биогазовых установок. Биогаз – это смесь метана и углекислого газа, который получается водородным или метановым брожением биомассы.
Ключевые слова: биогаз, ферментатор, реактор, субстрат, брожение, метантенк, гидрозатвор, биомасса.
Принцип работы всех биогазовых установок одинаков. После подготовки и доведения субстрата до нужной влажности он подается в биореактор. Процесс выхода биогаза и удобрений из субстрата называется сбраживанием. Сбраживание происходит за счет жизнедеятельности микроорганизмов. Полученный биогаз очищают от углекислого газа и других незначительных примесей. Сырье, переработанное в биогазовом реакторе, превратившееся в высококачественные удобрения, выгружается через выпускной патрубок и вносится в почву как удобрение или можно использовать как кормовую добавку для животных [1].
Обширное развитие биогазовых установок получило в Китае, также активно внедряют в ряде стран Европы, Америки, Азии. В Западной Европе более 10 лет назад начали массово применять малообъемные биогазовые установки.
На территории любой фермы можно оборудовать малообъемную биогазовую установку. Такая биогазовая установка, приведена на Рисунке 1-а. Яма облицована железобетонными плитами толщиной 10-15 см и для герметичности покрыта смолой. Из металлического материала сделан колокол высотой 3 м, в верхней части которого будет накапливаться газ. Чтобы защитить от коррозии колокол нужно периодически красит двумя слоями масляной краски.
Вокруг ямы-ферментатора предусмотрена бетонная канавка для гидрозатвора (2), которую наполняют водой, и в которую погружают нижний бортик колокола на глубину 0,5 м.
Из-за замерзания конденсирующейся воды, чтобы трубка не разрывалась, применяют простое устройство (Рисунок 1-б): U – образная трубка (2) присоединена к трубопроводу (1) в самой нижней точке. Конденсат (3) сливается через свободный конец трубки, при этом не происходит утечки биогаза.
Во втором варианте биогазовой установки (Рисунок 1-в) яму (1) диаметром 4 мм и в глубиной 2 м охватывают изнутри железом, листы которого плотно сваривают. Внешняя поверхность сварного резервуара покрывается смолой для антикоррозионной защиты. С наружной стороны верхней кромки резервуара из бетона предусмотрена канава в виде кольца (5) глубиной до 1 м, который заливают водой. В нее свободно устанавливается вертикальная часть купола (2), который закрывает резервуар. Таким образом, канава с залитой водой служит гидрозатвором. Газ собирается в верхней части купола и через выпускной патрубок (3) по трубопроводу (4) подается к месту использования.
Конструктивные схемы простейших малообъемных биогазовых установок показаны на рисунках 1-г, д, е, ж. Стрелками обозначено перемещение исходного биогаза. Купол может быть железным или пленочным. Железный купол можно сделать с длинной цилиндрической частью для полного погружения в перерабатываемую массу «плавающим» (Рисунок 1-г) или вставлять в гидрозатвор (Рисунок 1-д). Пленочный купол можно так же вставить в гидрозатвор (Рисунок 1-е) или изготовить в виде цельносклеенного большого мешка (Рисунок 1-ж). В последнем примере на пленочный мешок складывают тяжесть (9), чтобы пленка не очень раздувалась, а также для образования под пленкой достаточного давления [3]. Биогаз накапливается под куполом или пленкой и поступает по газопроводной трубе к месту использования. Для безопасности пользования газом на выпускном патрубке нужно установить предохранительный клапан. Однако, опасность взрыва биогаза маловероятна, так как при значительном повышении давления биогаза под куполом последний будет приподнятый в гидрозатворе на критическую высоту и опрокинется, выпустив при этом биогаз.
Выход биогаза понижается из-за того, что на поверхности субстрата в биореакторе при его брожении образуется корка. Для этого субстрат в биореакторе переодически перемешивают. Перемешивание происходит металлическими вилками. Купол поднимается в гидрозатворе на определенную высоту при накоплении биогаза и опускается по мере его использования. Из-за регулярного передвижения купола сверху-вниз, вилки купола будут разрушать корку.
Высокая влажность и наличие в незначительной степени сероводорода приводят к увеличению коррозии металлических частей биогазовых установок, поэтому все металлические элементы защищают.
На Рисунке 2 приведена биогазовая установка с подогревом сбраживаемой массы с помощью тепла, которое выделяется при разложении навоза в аэробном реакторе. Установка имеет цилиндрическую форму и металлическую емкость с горловиной (3) для заливки и краном (9) для слива, механической мешалкой (5) и патрубком (6) отбора биогаза. Реактор (1) можно сделать из деревянных материалов. Для выгрузки сброженного субстрата боковые стенки сделаны съемными. Пол ферментатора - решетчатый, через технологический канал (10) воздух продувают из воздуходувки (11). Сверху ферментатор закрывают деревянными щитами (2), чтобы уменьшить потери подаваемого тепла, стенки и днище изготавливаются из теплоизоляционного материала (7).
Установка работает следующим образом. В реактор (4) через отверстие (3) заливают предварительно подготовленный жидкий субстрат влажностью 85-95 %. Аэробный ферментатор
(1) через верхнюю открывающуюся часть заполняется навозом влажностью 60-70 %. При подаче воздуха в ферментаторе начнет разлагаться органическая масса и выделяться тепло, его достаточно для подогрева содержимого реактора, в результате чего начинает выделяться биогаз. Скопление биогаза происходит в верхней части реактора, и через выпускной патрубок (6) его применяют, в процессе сбраживания массу в биореакторе перемешивает мешалкой (5).
На Рисунке 3 представлена индивидуальная биогазовая установка (ИБГУ-1) для семьи, имеющей от 5 до 10 голов скота или 20-50 свиней, или до 300 голов птиц. ИБГУ-1 ежесуточно может перерабатывать до 300 кг органических отходов и производит 100-300 кг экологически чистых биоудобрений и 5-12 куб.м биогаза [2].
Что бы
приготовить пищу на семью от трех до четырех человек нужно сжигать 3-4 куб.м биогаза в сутки, а для отопления дома площадью 50-60 кв.м сжигается 10-12 куб.м. биогаза. Такая установка может работать в любой климатической зоне.
Опыт эксплуатации установок показал, если использовать в качестве субстрата смеси различных органических отходов, то выделение биогаза больше, чем в случае использования одного из компонентов. Влажность используемого субстрата рекомендуется уменьшать зимой до 88—90% и увеличивать летом до 92— 95%, при этом вода, которая используется для разбавления, должна быть теплой. Субстрат загружается порциями, по крайней мере, один раз в сутки. После первой загрузки реактора иногда вырабатывается биогаз, содержащий более 60% углекислого газа, и поэтому он не горит. Углекислый газ удаляют в атмосферу, и в течение трех дней установка начнет функционировать нормально.
Список литературы
1.
Гайфуллин И.Х. Сравнительный анализ процессов ферментации органических субстратов/ И.Х. Гайфуллин, А.И. Рудаков, П.С. Курочкин / Материалы 72-ой студенческой (региональной) научной конференции. Том 1. – Казань: Изд-во Казанского
ГАУ.- 2014. – С.47-49.
2.
Зимин, С.А. Установка БГУ-8л. /С.А. Зимин, М.А. Грошков, В.И. Великин и др./ Сб. матер. научно- практической конференции аспирантов и молодых. ученых 2005 с. 522 .
3. Рудаков, А.И. Переносная малогабаритная биогазовая установка./З.З. Нуриев, А.И. Рудаков/ Вестник Казанского ГАУ №4, Казань: издательствово Казанского ГАУ, 2012 – с. 37 -40.
