Биогаз для чайников

Если Вы являетесь владельцем или сотрудником крупного предприятия с большим количеством органических отходов или просто человеком с большими деньгами и опять-таки источником органических отходов, то вряд ли Вы лично займетесь строительством биогазовой установки. Самое большее, что Вы сделаете — это найдете подходящего производителя биогазовых установок и поручите работу по проектированию, строительству и запуску установки ему. Но если хозяйство у Вас маленькое, денег — кот наплакал, а применить передовые технологии переработки органических отходов очень хочется, то стоит для начала перейти из статуса «чайника» в статус «продвинутого пользователя». Для облегчения этой задачи написана эта книга и эта глава, в частности. Ниже будут приведены примеры самых распространенных в мире конструкций малых биогазовых установок, некоторые из которых можно сделать буквально «на коленке».

8.1. «Китайская» яма

Такое название для описываемой конструкции я выбрал, потому что очень часто в литературе по биогазу такую конструкцию упоминают, как использовавшуюся еще тысячу лет назад в Китае. Конечно, правильнее было бы назвать ее «подземной биогазовой установкой для теплого грунта».

Эта конструкция примечательна тем, что в ней нет никаких движущихся деталей, а сырье движется по ней самотеком. Конструкция состоит из входной трубы, герметичной ямы-реактора, выходной трубы для биогаза, выходной трубы для шлама и буферного накопителя шлама.

К верхнему отверстию входной трубы стекается по канавкам сырье. Обычно применяется жидкий навоз (смесь навоза с мочой), стекающий из расположенного рядом стойла для содержания домашних животных, а также из туалета. Естественно, что высота расположения таких сборников фекалий немного больше высоты расположения горловины приемной трубы, чтобы фекалии свободно стекали в приемную трубу. Входная труба косо опускается вниз под землю, и входит в стенку реактора ниже уровня субстрата в реакторе. Получается гидравлический затвор, который пропускает внутрь реактора свежий субстрат, но не выпускает биогаз. Конечно, часть биогаза, генерирующаяся в толще субстрата точно под входным отверстием в стенке реактора, поднимаясь вверх, попадает в это отверстие, движется дальше по входной трубе и улетучивается в воздух. Но этими потерями можно пренебречь. Выходная труба выходит из противоположной стенки реактора почти от самого его днища и косо поднимается вверх. Наверху она входит снизу в емкость в форме открытого сверху параллелепипеда. Верхние края этой емкости должны быть расположены ниже горловины входной трубы. Из этой емкости должен быть проложен «аварийный» сток в более низкорасположенную лагуну или яму. Реактор в нижней части имеет цилиндрическую форму, а верх реактора выполнен в форме купола-полусферы. Из вершины купола выходит трубка для отвода биогаза.

Стенки труб, реактора и буферного накопителя должны быть укреплены так, чтобы не разрушаться под давлением грунта или субстрата и должны не пропускать сквозь себя субстрат. Верхняя часть купола реактора должна быть выполнена так, чтобы сквозь нее не просачивался биогаз. Раньше это делалось из кирпичей, раствора и специальной штукатурки. Сейчас обычно применяют бетон и полимеры.

Размер (объем) реактора подбирают в соответствии с объемом ежесуточных фекальных стоков. Этот объем также зависит от температурного режима. Если температуры грунта вокруг реактора не опускается ниже 30 °C, то внутри реактора будет происходить анаэробное брожение в мезофильном режиме. Длительность цикла такого брожения лежит в пределах двух-четырех недель. Соответственно, объем реактора должен быть больше 14 суточных доз стоков. Если температура в глубине земли составляет 20-25 °C, то будет происходить психрофильное брожение. В этом случае объем реактора надо удвоить.

Процесс протекает следующим образом:

Фекальные стоки стекают по входной трубе в реактор. При этом аналогичное количество шлама поднимается со дна реактора и выталкивается в буферную емкость через выходную трубу. В процессе брожения выделяется биогаз и поднимается под свод купола реактора. Если через выходную биогазовую трубу к потребителю поступает меньше газа, чем его вырабатывается, то уровень субстрата в реакторе понижается, а во входной трубе и буферной емкости — повышается. Давление биогаза задается разностью уровней в буферной емкости и в реакторе. Купол реактора при этом условно можно назвать газгольдером. Рабочий объем этого газгольдера будет равен разнице объемов субстрата в реакторе в вернем и нижнем положении, в промежутке между которыми давление биогаза будет лежать в заданных пределах. Обычно для различных газовых горелок и котлов необходимо давление газа 0,013-0,030 атм, или 13–30 см водяного столба. В принципе можно допустить и давление до 0,050 атм, если его выдержит конструкция установки, потому что скорость истекания биогаза можно подрегулировать вентилем или редуктором.

Поскольку плотность субстрата близка к плотности воды, то можно считать, что разница уровней в реакторе и в буферном накопителе должна составлять 13–50 см.

Для того, чтобы давление биогаза внутри реактора не превысило верхнюю границу 0,05 атм, необходимо предусмотреть клапан, который стравит биогаз, если его давление превысит это значение. Как Вы понимаете, тысячу лет назад не было автоматических механических клапанов, калиброванных на заданное давление. Но задача, тем не менее, имеет простое решение. Верхний срез отверстия соединения входной трубы с реактором делается на высоте на 50 см ниже вершины стенок буферной емкости. Тогда, когда давление биогаза растет, уровень субстрата в реакторе понижается, поднимая уровень субстрата в буферной емкости. Излишек субстрата выливается из буферной емкости. Когда уровень субстрата внутри реактора опускается ниже верхнего среза отверстия входной трубы, излишек биогаза выходит наружу через входную трубу.

Для того чтобы избежать возможности попадания субстрата в биогазовую трубу, необходимо, чтобы уровень слива из буферной емкости находился ниже точки выхода биогазовой трубы из реактора, то есть, ниже вершины купола реактора. Поэтому, такие подземные реакторы удобно располагать на склоне, чтобы избежать лишних земляных работ.

При нормальной эксплуатации шлам из буферной емкости ежедневно вычерпываю в объемах, соответствующих объему принятых фекальных стоков. Шлам используют в качестве биоудобрения.

Конструкция эта достаточно простая, не требует дефицитных материалов. Но работать она будет только в теплом климате. Даже если сделать стенки такого реактора в виде термоса, чтобы теплоизолировать их от окружающего грунта, мы не сможем полностью исключить отток тепла в холодное время года. При падении температуры внутри реактора ниже 20 °C выделение биогаза практически прекратится.

Также у этой конструкции есть недостаток — на дне реактора постепенно скапливается песок, или прочие тяжелые осадки. Поэтому время от времени такой реактор надо вскрывать и чистить. Как Вы сами понимаете, во-первых, это усложняет конструкцию реактора, а во-вторых, сама процедура чистки — весьма грязная и трудоемкая.

8.2. Гибкий ферментатор

Вторая достаточно древняя и простая конструкция — гибкая «кишка», расположенная в яме или свободно лежащая на земле. На концах такой «кишки» делаются входная и выходная трубы, через которые поступает субстрат и сливается шлам. Буферная емкость для шлама уже не нужна. Важно только, чтобы слив из выходной трубы находился ниже горловины заливной трубы. Такая труба тоже служит одновременно реактором и газгольдером. Но рабочий объем газгольдера в такой системе может быть очень большим. Если кишку выложить просто на ровную поверхность, субстрат будет пытаться растекаться в стороны внутри кишки, натягивая ее стенки, а они, в свою очередь будут создавать давление в биогазе внутри кишки. Таким образом, давление биогаза внутри кишки будет задаваться уровнем субстрата внутри нее. А этот уровень, в свою очередь будет зависеть от длины кишки, ее диаметра и объема субстрата внутри нее. Объем субстрата задается уровнем слива из выходной трубы. Рабочий объем газгольдера этого реактора будет очень большим, приемлемое давление биогаза будет поддерживаться в очень широких пределах изменения объема биогаза внутри кишки. Поэтому такая конструкция хорошо подходит для летнего периода, когда потребность в биогазе возникает эпизодически.

В наше время удобно делать такую конструкцию из тепличной пленки, которая продается в виде трубы. Для надежности можно вложить одну трубу в другую, чтобы уменьшить вероятность разрыва. Стоимость такой пленки из полиэтилена очень низкая. Желательно брать пленку черного цвета. Подстилающая поверхность должна быть ровной без острых фрагментов. Если грунт сильно остывает, то надо подложить слой утеплителя.

Выходную и выходную трубы можно заменить гидрозатворами, которыми будут заканчиваться концы кишки. Через один из гидрозатворов можно пропустить газовую трубу, чтобы не нарушать целостность стенок кишки.

Недостатком такой конструкции является большая занимаемая площадь, ведь уровень субстрата в свободно лежащей кишке не буде подниматься выше 30 см, чтобы избыточное давление не порвало кишку. Выход есть в усовершенствовании конструкции. Необходимо сделать по всей длине кишки канаву, куда опустится часть кишки. Но часть кишки будет расплескиваться по краям канавы, формируя газгольдер. Такое решение позволяет и сэкономить площадь, и сохранить относительно высокий рабочий объем газгольдера. Но при этом надо укрепить стенки канавы от осыпания и теплоизолировать их, так как грунт на глубине уже может быть холодным. Также надо обеспечить защиту от попадания и скапливания осадков в этой канаве, так как они нарушат теплоизоляцию.

Эту конструкцию можно еще усовершенствовать, проложив внутри кишки трубы обогрева и установив погружной миксер. Если при этом расположить такую кишку внутри теплицы, то можно попытаться эксплуатировать ее даже зимой.

8.3. «Всепогодная» установка

В наших широтах малые биогазовые установки чаще всего делают с использованием примерно той же конструкции, что и у больших промышленных установок. Такая малая установка состоит из подготовительной емкости для субстрата, системы подачи субстрата в реактор, утепленного реактора, системы поддержания температуры в реакторе, системы перемешивания субстрата в реакторе, системы слива субстрата из реактора, приемника шлама, газгольдера, системы вывода биогаза и подачи его потребителям, блока автоматики блока теплоснабжения. В результате получается достаточно дорогая и сложная конструкция, но она способна функционировать круглый год в наших климатических условиях.

Все емкости для таких установок обычно подбирают из готовых изделий, имеющихся в продаже. Гораздо реже их изготавливают самостоятельно. Дело в том, что к материалу стенок таких емкостей предъявляются высокие требования по коррозионной и абразивной стойкости. Металл требует специальных недешевых покрытий. Бетон годится только специальных недешевых марок. Поэтому почти идеально подходят нейтральные полимерные материалы — полиэтилен, полипропилен. Обычно в продаже присутствуют цилиндрические емкости из полиэтилена, изготовленные в заводских условиях методом ротационного формования. Объем таких цилиндров достигает 15 м3, встречаются также предложения на 20 и 30 м3. По всем параметрам трудно подобрать что-то более подходящее.

В качестве подготовительной емкости обычно выбирается горизонтальный цилиндр или параллелепипед. Есть три способа подачи субстрата из подготовительной емкости в реактор: вручную, самотеком и насосом.

Для подачи самотеком подготовительная емкость размещается выше реактора. После приготовления субстрата открывается заслонка или затычка в днище этой емкости, и субстрат сливается в реактор по входной трубе.

Для подачи насосом или вручную подготовительная емкость размещается в непосредственной близости к реактору. Если надо заливать субстрат вручную, то подготовительная емкость делается с открытым верхом, чтобы можно было черпать субстрат ведром. Возле входной трубы ставится стремянка, а на горловине входной трубы — раструб. Необходимо подниматься по стремянке и заливать субстрат из ведра в раструб. Понятно, что делать такую процедуру можно один-два раза в день, заливая за один цикл десяток-другой ведер субстрата. Тогда это будет занимать приемлемое время. Если суточные объемы субстрата больше, или техпроцесс требует частой порционной подачи субстрата, необходимо применять автоматизированную подачу субстрата насосом. Такая порционная подача нужна при применении быстроокисляющихся и высокопитательных субстратов. Субстраты из навозов допустимо загружать один раз в сутки, хотя это и не оптимизирует техпроцесс.

Для приготовления субстрата в подготовительную емкость засыпают/заливают исходное сырье, добавляют необходимое количество воды и перемешивают. Мешать можно вручную, а можно с помощью электрического миксера. Сделать такой миксер можно самостоятельно самыми различными способами. Но технологически и экономически он оправдан только при необходимости порционной подачи сырья. Тогда еще в подготовительную емкость помещается погружной фекальный насос. При приготовлении субстрата миксер включается вручную и работает до полной гомогенизации субстрата. В процессе суточной работы по расписанию автоматика включает миксер, перемешивая субстрат, а сразу после этого включается насос и закачивает в реактор заданную порцию субстрата. Самый простой, но очень грубый способ отмерить заданную порцию — временной. Насос включается на заданное время. Время это настраивается так, чтобы насос качал немного с избытком, тогда к исходу суток подготовительная емкость будет опустошена. Возможный остаток субстрата можно закачать в реактор, включив насос вручную, перед приготовлением новой порции субстрата.

В случае ручной подачи субстрата ил подачи самотеком, подготовительную емкость не обязательно надо содержать в теплом месте. Достаточно быстро приготовить субстрат, используя теплую воду, и быстро залить его в реактор. При автоматической подаче субстрат целые сутки проводит в подготовительной емкости. Температура его не должна быть ниже 25 °C. Поэтому в этом случае подготовительную емкость располагают внутри обогреваемого помещения. Обычно ее располагают в котельной, где находится еще котел отопления и блок автоматики.

Входная труба реактора делается с гидрозатвором, как для «китайской ямы». Выходная делается по тому же принципу. Слив выходной трубы должен попадать в лагуну для шлама. Теплоизоляцию реактора удобно делать из гибких теплоизолирующих материалов, поскольку реактор имеет цилиндрическую форму. Всякие варианты минеральной ваты плохо подходят из-за сложностей крепления и высокой гигроскопичности. Идеально подходят материалы на базе вспененного полиэтилена. Также есть смысл в применении фольгированных материалов для отражения внутрь реактора инфракрасного излучения. Но в идеале реактор малой биогазовой установки надо размещать внутри помещения, которое нуждается в каком-нибудь обогреве (но не в человеческом жилье). Тогда тепловые потери реактора не будут улетучиваться, а будут греть это помещение.

Перемешивание субстрата в реакторе дешевле всего организовать внутренним погружным миксером или гидравлическим погружным насосом. Применение конструкций с внешним приводом, переходными муфтами с сальниками и крупной мешалкой внутри реактора усложняется необходимостью дополнительных креплений внешнего привода, компенсации разбаланса между приводом и реактором со строенной мешалкой, сложностью закрепления внутри реактора большой мешалки.

В случае подогрева субстрата в реакторе теплом от сжигания вырабатываемого биогаза, теплообменник делается в виде спиральной восходящей трубы вдоль вертикальных стенок реактора. Для этих целей хорошо подходит металлопластиковая труба. Если есть возможность подогревать реактор дешевым электричеством, то можно это делать ТЭНами, непосредственно укрепленными в стенках реактора, можно применить нагревательную ленту, которую располагать спиралью, как трубу теплообменника, а можно просто применить электрокотел и ту же трубу теплообменника.

В стенку реактора вставляется полупроводниковый термодатчик. Сигнал от него поступает на блок автоматики, который включает и выключает нагревательные электрические элементы, включает и выключает циркуляционный насос или включает и выключает клапаны цепей теплообменника и байпасс при постоянно работающем циркуляционном насосе. То есть, регулировка температуры субстрата внутри реактора — релейная.

Мощность нагревательных элементов выбирается так, чтобы темп нагрева субстрата не превышал 10 в час для мезофильного режима и 0,50 в час для термофильного режима.

В верхней части реактора из него выходит газовая труба. Ее можно делать из металлопластика или полипропилена. Желательно поставить холодильник на трубе, чтобы осушить биогаз, осадив влагу на стенках холодной трубы. Простейший способ — это расположить поднимающийся вверх участок газовой трубы так, чтобы он обдувался ветром и не нагревался солнцем. Тогда влага осядет на стенках трубы и стечет назад в реактор. Далее от газовой трубы делается ответвление на газгольдер. В нашем климате удобнее всего применять «сухие» газгольдеры в виде мешка из армированной полимерной пленки. Например, подходит тентовый материал — армированная брезентом пленка ПВХ. Она легко сваривается, и из нее можно изготовить герметичный мешок заданной формы. Остается еще вопрос о регулировке выходного давления биогаза, чтобы подать его потребителям под заданным давлением (0,015-0,20 атм). Можно просто поставить компрессор, ресивер и редуктор. Но это дорого, опасно, энергозатратно и требует дополнительной автоматики управления компрессором. Для малых биогазовых установок целесообразно применять механические регуляторы давления, энергия для работы которых вырабатывается в процессе анаэробного брожения. В предыдущих двух конструкциях это так и было. В данном случае можно применить газгольдер в виде кузнечных мехов, на рычаг которых подвешен заданный груз. Такой газгольдер довольно точно регулирует давление и использует весь объем меха в качестве рабочего. Но объем такого газгольдера ограничен необходимостью значительно увеличивать вес груза и прочность (а значит, и материалоемкость) его конструкции. Поэтому оптимальный объем такого газгольдера примерно равен 1 м3.

Далее газовая труба проходит через обратный клапан, который удобно выполнить в виде гидравлического клапана. Также можно поставить фильтр сероводорода и счетчик газа. Затем биогаз можно подавать потребителям.

Газовый котел можно применить самый обычный, подстроив, если можно, количество подаваемого воздуха. Если происходит управление циркуляционным насосом, то логика такого управления совсем простая — включить насос, выключить. Но циркуляционные насосы не рассчитаны на стартстопный режим работы, поэтому могут сгореть. Так что желательно, хоть и дороже, поставить постоянно работающий циркуляционный насос и добавить вторую цепь байпасс, закорачивающую входной и выходной коллекторы. При этом на основную цепь теплообмена и на байпасс надо поставить электрически управляемые клапаны. Клапаны эти должна работать в противофазе по сигналу термодатчика в реакторе. Когда субстрат нагрелся, теплоноситель пускается по цепи байпасс, температура теплоносителя в котле поднимается, и автоматика котла выключает газ, экономя его расход. Как только падает температура субстрата, включается главная цепь теплообмена, в котел поступает остывший теплоноситель из теплообменника, и автоматика котла пускает и поджигает биогаз.

Управление электрическим нагревателями производится путем простого их включения или выключения.

Инертность нагрева субстрата в реакторе минимальна, так как соотношение теплоемкости субстрата в реакторе и теплоемкости электронагревателей или теплоносителя очень большое, почти бесконечное. Поэтому спокойно можно применять релейное управление нагревом.

Также блок автоматики должен содержать программируемый таймер с необходимым количеством каналов, чтобы управлять расписанием включения гомогенизатора в подготовительной емкости, подающим насосом в подготовительной емкости и миксерами реактора.

Возможны самые различные модификации подобной конструкции, но принципы работы остаются теми же самыми. «Пути могут быть различны, но к единой устремимся цели!»