Биогаз для чайников

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.