РОЗДІЛ 27. Технології продуктування біогазу

Реактор.

Реактор біогазової установки являє собою герметичний термос. Реактори великих біогазових установок зазвичай виготовляють з бетону, який потім утеплюють різними способами. Основний мінус даної конструкції - це капітальна споруда специфічної конструкції. Його неможливо перемістити, демонтувати без втрат. Відповідно, його майже неможливо продати без продажу земельної ділянки, банк неохоче приймає його в заставу при видачі кредитів. Спорудження такого реактора займає значний час. Реактори малих установок зазвичай виготовляють з металевого листа. Часто використовують вживані цистерни. Мінусом є велика вага, висока ціна і низька корозійна стійкість. В пропонованій конструкції застосувано ємності з сучасних синтетичних матеріалів. Вони мають малу вагу, високу корозійну стійкість. їх легко монтувати, демонтувати, сполучати з вхідними та вихідними трубами. Вони не потребують корозійного захисту. Біогазова установка на базі такого реактора легко може бути демонтована і змонтована на новому місці, а отже її можна продати або виставити в заставу.

Система підігріву реактора.

Температура сировини в реакторі повинна підтримуватися на рівні, оптимальному для функціонування відповідних анаеробних бактерій. Сама реакція - екзотермічна, але при температурі навколишнього середовища істотно нижче необхідної температури реакції сировину необхідно підігрівати. Складність полягає в тому, що підігрів повинен бути рівномірним, і температура повинна утримуватися в заданих межах. Найдоцільніше використовувати для підігріву реактора енергію спалювання біогазу, що виробляється установкою. У великих установках біогаз зазвичай переробляється в електрику в когенераційних установках (генератор на основі двигуна внутрішнього згоряння). Система охолодження двигуна відводить тепло в спеціальну ємність. А далі через теплообмінники в цій ємності тепло подається для підігріву реактора., а також для внутрішніх потреб власника біогазової установки. У даному випадку тепло є просто побічним продуктом когенераційної установки, що виробляє електрику. Малі та середні біогазові установки не виробляють стільки багато газу, щоб завантажити стандартну когенераційну установку. Тому для їх обігріву застосовують стандартні газові котли, такі ж, як і для обігріву приміщень. Тільки труби з гарячою водою пропускають крізь реактор. Ця конструкція не дуже складна, але все ж не має економічного сенсу для малих біогазових установок. Для кожної біогазової установки необхідно забезпечити початковий розігрів для того, щоб почалася реакція і став вироблятися біогаз. Якщо запускати установку в теплу пору року, то при температурі навколишнього повітря понад 20 ° С приблизно через тиждень реакція почнеться, маса в реакторі почне сама розігріватися, почне виділятися біогаз. У холодну пору року такий запуск неможливий. Тому для запуску необхідний або зовнішнє джерело газу, або система електропідігріву. І якщо газ в більшості випадків буде недоступний, то використовувати електрику майже завжди можливо. А для малих установок система електропідігріву видається єдино раціональній. Вона не надто дорога, легко управляється і при гарній термоізоляції реактора не буде занадто дорогою в експлуатації.

Система перемішування маси у реакторі.

Сировина в реакторі в процесі протікання реакції має тенденцію розділятися на фракції. На дні реактора скупчується нерозчинний осад, більш легкі частинки, що захоплюються бульбашками газу, піднімаються наверх і утворюють кірку. Все це істотно уповільнює швидкість реакції. Для того, щоб реакція протікала рівномірно і ефективно, масу всередині реактора необхідно час від часу перемішувати. Також перемішування покращує рівномірність прогріву сировини. Але перемішування хімічно активної маси всередині герметичного реактора - нетривіальне завдання. Перемішуючі деталі повинні бути зроблені з корозійно- стійкого матеріалу. Привід перемішуюча повинен перебувати або всередині реактора, або необхідно застосувати високоякісну перехідну муфту. Можна також застосувати гідравлічне або пневматичне перемішування. З усіх чотирьох способів найдешевшим і надійним для малих установок виходить застосування перемішуючого пристрою, що знаходиться всередині реактора. Спеціальні перехідні муфти не є стандартним виробом, тому застосування їх в малих і середніх біогазових установках доцільно при їх серійному випуску. Для пневматичного перемішування потрібен якісний пожежо і вибухо безпечний компресор. Для гідравлічного перемішування потрібен якісний потужний фекальний насос, який досить дорого коштує. Тому два останні способи доцільніше застосовувати у великих установках.

Система термоізоляції реактора.

Реактор, як зазначено вище, являє собою термос. Чим якісніше буде зроблена термоізоляція, тим вище буде ККД реактора, тим менше енергії витрачатиметься на підтримання необхідної температури. Особливо важлива термоізоляція при експлуатації біогазової установки в зимових умовах. Ідеальний термос має порожні стінки, усередині яких вакуум. Реально це виготовити неможливо, але основний принцип термоізоляції полягає саме в цьому: крім внутрішньої силовий стінки реактора робиться зовнішня герметична стінка з шаром, спрямованим всередину. Між стінками - порожнеча, або пористий наповнювач.

Газгольдер.

Газгольдер - це ємність, в якій накопичується вироблений біогаз. Також газгольдер в біогазової установці виконує функцію стабілізатора тиску газу і буфера при заправці реактора і зливі добрив. У великих біогазових установках газгольдером служить сам реактор, який закривається зверху спеціальною гумовою мембраною. Робочий об'єм такого газгольдера не дуже великий, але у великих біогазових установок немає перепадів в споживанні газу, оскільки весь газ відразу переробляється в електрику. У малих і середніх біогазових установках споживання біогазу непередбачувано, тому бажано, щоб робочий об'єм газгольдера відповідав хоча б одно - або двогодинній продуктивності установки біогазу. Також бажано, щоб робочий об'єм газгольдера більш ніж у два рази перевищував обсяг одноразової заправки або зливу сировини. Для малих і середніх біогазових установок зазвичай застосовують мокрі і сухі газгольдери. Мокрий газгольдер має помітно більшу вартість і складність в експлуатації, ніж сухий, виготовлений з сучасних синтетичних матеріалів. Газова система.

Біогаз, вироблений біогазовою установкою, не подається безпосередньо споживачеві, а проходить через кілька спеціальних пристроїв, які можна назвати газовою системою біогазової установки. Насамперед, біогаз необхідно пропустити через зворотний клапан, який забезпечує рух газу тільки в одному напрямку - від реактора до споживача. Найпростіший зворотний клапан - рідинний, схожий на той, який ми застосовуємо, зброджуючи домашнє вино. Цей зворотний клапан може бути загальним для декількох реакторів, забезпечуючи одночасно незалежність їхніх газових систем, і в той же час рівність тисків у робочих режимах. Для контролю над тиском газу встановлюється манометр. Також обов'язковим і найважливішим елементом є запобіжний клапан, який випускає в атмосферу біогаз при перевищенні допустимого тиску. Такий запобіжний клапан теж простіше і дешевше всього зробити рідинним, як і зворотний клапан. Тільки рідину в нього необхідно заливати незамерзаючу і неіспаряючуюся, типу " Тосол ”, оскільки вона безпосередньо повідомляється з атмосферою. Взагалі кажучи, метан - основна складова частина біогазу - найбільше руйнує озоновий шар Землі, і тому викиди метану в атмосферу з точки зору екології дуже небажані. Тому біогаз, що пройшов через запобіжний клапан, зазвичай спалюють у факельній установці. Факельна установка - це пальник, на яку подається іскра для розпалювання в момент спрацьовування запобіжного клапана, і вогонь підтримується, поки запобіжний клапан відкритий. Тобто механізм дії точно такий же, як і в сучасних газових котлах.

Система зливу переробленої сировини.

У великих біогазових установках шлам, або відпрацьовану сировину зливають за допомогою шнекових насосів. Для малих і середніх біогазових установок, виконаних на базі реакторів нашої конструкції, найвигідніше зливати шлам під дією сили тяжіння в ємність, розташовану нижче реакторів. При цьому система зливу являє собою звичайну каналізаційну трубу з відповідним краном. Головна технологічна особливість - це закінчення труби, яке повинно забезпечити неможливість засмоктування в реактор повітря при зливі.

Автоматика управління біогазовою установкою.

Для безперебійного функціонування біогазової установки необхідний блок автоматики, що контролює всі параметри і підтримує задану температуру і інтенсивність реакції. Робота блоку автоматики базується на інформації, що знімається кількома датчиками: датчиком температури сировини в реакторі, датчиками рівня сировини в реакторі. Грунтуючись на цих свідченнях, а також за сигналами таймера, блок автоматики включає і вимикає систему підігріву, систему перемішування, а також сигналізує про початок і кінець затоки і зливу сировини. Блок автоматики нашої розробки базується на стандартних недорогих промислових контрольних приладах. Для управління потужностью, навантаженням, таких елементів як електронагрівальні елементи або двигуни системи перемішування, застосовуються магнітні пускачі.

Алгоритм роботи біогазової установки.

Залежно від кількості реакторів у біогазовій установці може бути кілька алгоритмів роботи, що базуються на безперервному або переривчастому циклі. У першому завантаженні реактора біогазової установці обов'язково має бути присутнім деяка кількість анаеробних бактерій. У природних умовах ці бактерії живуть в " рубці " великої рогатої худоби. Тому гній ВРХ - найкраща сировина для старту роботи біогазової установки. Також " закваскою " може служити шлам - відпрацьована сировина біогазової установки. Після завантаження та розігріву сировини до необхідної температури може пройти тиждень, поки виділення газу досягне номінальних величин. Цикл бродіння триває від двох тижнів до місяця, але шлам зливають тоді, коли виділення газу помітно падає. Шлам зливають на дві третини, залишаючи в реакторі одну третину в якості "закваски". Потім цикл повторюється. Зрозуміло, що при такому переривчастому алгоритмі роботи біогазової установки, виділення газу буде нерівномірним, а отже біогаз складно використовувати для якихось корисних цілей. Є режим безперервного циклу, коли, наприклад, кожен день з реактора зливається 1/20 обсягу шламу, і така ж кількість сировини заливається. Газ при цьому виділяється рівномірно, але біодобрива виходять неякісними, оскільки в зливаваємому шламі знаходиться 1 / 20 неперебродившей сировини. Це шкідливо також і з екологічної точки зору. Для доведення біодобрив до необхідної кондиції в такому випадку застосовують камеру доброджування.

Паралельне і послідовне з'єднання реакторів для нарощування потужності біогазової установки.

Камера доброджування фактично являє собою ще один реактор. Можна робити біогазові установки з кількома реакторами. При збільшенні кількості реакторів залишається та ж сама система завантаження і система зливу сировини (точніше, вони збільшуються незначно). Газову систему обігріву можна спроектувати з таким запасом, щоб той же котел міг потягнути кілька реакторів, система автоматики збільшується тільки на необхідне число модулів управління температурою. Тобто, при збільшенні потужності біогазової установки шляхом додавання додаткових реакторів, вартість установки зростає не пропорційно збільшенню сумарного обсягу реакторів, а зменьшується. Реактори можна з'єднувати паралельно і послідовно. Якщо N реакторів з'єднуються паралельно, то вивантаження і завантаження в кожен з реакторів по черзі проводиться через кожні 20 / N днів (з урахуванням тривалості циклу в 20 днів). При цьому кожен реактор один раз в 20 днів спорожняється на дві третини, і потім заповнюється свіжим сировиною. Якість біодобрив при цьому буде максимальним, але вироблення біогазу недостатньо рівномірномірним, особливо, якщо реакторів мало. Якщо з'єднати реактори послідовно, то необхідно щодня зливати і заливати 1/20 сумарною робочої ємності реакторів (вона становить 80 % загальної ємності реакторів). Вироблення біогазу при цьому буде максимально рівномірною. Якість добрив буде залежати від кількості реакторів.

Мезофільний і термофільний режими роботи біогазової установки.