Технология. Описание

Блок-схема типовой биогазовой установки
Отличительные особенности наших установок
Система подготовки сырья
Реактор
Система подогрева реактора
Система перемешивания массы в реакторе
Система термоизоляции реактора
Газгольдер
Газовая система
Система слива переработанного сырья
Автоматика управления биогазовой установкой
Алгоритмы работы биогазовой установки
Схема параллельного и последовательного соединения реакторов для наращивания мощности биогазовой установки
Мезофильный и термофильный режимы работы биогазовой установки

Блок-схема типовой биогазовой установки

Основой каждой биогазовой установки является реактор. Реактор представляет собой герметичный термос, в котором поддерживается заданная постоянная температура. Для поддержки температуры используется система подогрева и система термоизоляции реактора. Всем этим управляет блок автоматики. Также для нормального протекания реакции используется система перемешивания сырья, которая также управляется блоком автоматики.

Для подачи в реактор исходного сырья служит система подготовки сырья.

Для буферизации вырабатываемого газа и стабилизации его давления используется газгольдер.

Газовая система служит для обезвоживания вырабатываемого газа, контроля давления газа, систем аварийного сброса газа и предупреждения обратного хода.
Для слива отработанного сырья (готовых биоудобрений) применяется система слива.

Отличительные особенности наших установок

Мы проанализировали все конструкции биогазовых установок, которые применяются в мире. После этого мы разработали основные принципы, по которым можно создавать биогазовые установки для небольших хозяйств небогатых стран, таких, как страны СНГ. Конструкция наших установок базируется на максимальном использовании стандартных деталей и узлов, производящихся практически в любой стране мира. Мы выбрали для нашей конструкции детали из современных синтетических материалов, которые обеспечивают химическую стойкость, малый вес, хорошую термоизоляцию. По размеру реакторов установок нашей конструкции, они относятся к малым и средним установкам. Но благодаря возможности простого масштабирования, на базе нашей конструкции можно собирать даже крупные установки, причем наращивать объемы и мощности постепенно, по мере накопления средств.

Система подготовки сырья

Система подготовки сырья служит для разведения исходной органической массы водой для обеспечения необходимой влажности и температуры сырья, а также для закачки сырья в реактор. Инженерные задачи решаемые при разработке такого узла — это равномерное перемешивание исходной смеси, поддержание температуры смеси в заданных пределах, независимо от температуры окружающей среды, закачка в реактор строго определенной порции сырья с сохранением герметичности реактора и постоянства давления газа на выходе.

В своих конструкциях мы предлагаем 2 способа решения этих задач: закачка смеси из системы подготовки под действием силы тяжести, или с помощью специального фекального насоса.

Первый способ самый простой и дешевый, но он усложняется с ростом объема реактора. Суть его сводится к тому, что емкость для подготовки сырья располагается выше реактора на рассчитанную величину, и подготовленное сырье заливается в реактор самотеком. Особенно удобно применять этот метод, когда рельеф местности, где расположена биогазовая установка способствует этому, и не надо строить слишком высокую эстакаду. Объем емкости для подготовки сырья обычно равен 5-10% объема реактора. С ростом объема растет нагрузка на конструкцию эстакады, что требует ее усложнения и удорожания.

Второй способ — классический. Сложности заключаются в том, что дешевые фекальные насосы не имеют режущих ножей, и поэтому легко могут засориться. А очистка насоса и подающего тракта от фекальных масс вручную — задача не из самых приятных. Стоимость хорошего фекального насоса сопоставима со стоимостью самой малой биогазовой установки. Поэтому применение фекального насоса имеет смысл для средних биогазовых установок.

Шнековая подача сырья имеет смысл только для больших установок, и поэтому нами не применяется.

Реактор

Реактор биогазовой установки представляет собой герметичный термос. Реакторы крупных биогазовых установок обычно изготавливают из бетона, который затем утепляют различными способами. Основной минус данной конструкции — это капитальное сооружение специфической конструкции. Его невозможно переместить, демонтировать без потерь. Соответственно, его почти невозможно продать без продажи земельного участка, банк неохотно принимает его в залог при выдаче кредитов.

Сооружение такого реактора занимает значительное время.

Реакторы малых установок обычно изготавливают из металлического листа. Часто используют бывшие в употреблении цистерны. Минусом является большой вес, высокая цена и низкая коррозионная стойкость.

В нашей конструкции мы применили емкости из современных синтетических материалов. Они имеют малый вес, высокую коррозионную стойкость. Их легко монтировать, демонтировать, сопрягать с входными и выходными трубами. Они не нуждаются в коррозионной защите. Биогазовая установка на базе такого реактора легко может быть демонтирована и смонтирована на новом месте, а следовательно ее можно продать или выставить в залог.

Система подогрева реактора

Температура сырья в реакторе должна поддерживаться на уровне, оптимальном для функционирования соответствующих анаэробных бактерий. Сама реакция — экзотермическая, но при температуре окружающей среды существенно ниже требуемой температуры реакции сырье необходимо подогревать. Сложность заключается в том, что подогрев должен быть равномерным, и температура должна удерживаться в заданных пределах. Рациональнее всего использовать для подогрева реактора энергию сжигания биогаза, вырабатываемого установкой.

В крупных установках биогаз обычно перерабатывается в электричество в когенерационных установках (генератор на основе двигателя внутреннего сгорания).

Система охлаждения двигателя отводит тепло в специальную емкость. А дальше через теплообменники в этой емкости тепло подается для подогрева реактора, а также для внутренних нужд владельца биогазовой установки. В данном случае тепло является просто побочным продуктом когенерационной установки, вырабатывающей электричество.

Малые и средние биогазовые установки не вырабатывают столько много газа, чтобы загрузить стандартную когенерационную установку. Поэтому для их обогрева применяют стандартные газовые котлы, такие же, как и для обогрева помещений. Только трубы с горячей водой пропускают сквозь реактор. Эта конструкция не слишком сложная, но все же не имеет экономического смысла для малых биогазовых установок.

Для каждой биогазовой установки необходимо обеспечить начальный разогрев для того, чтобы началась реакция и стал вырабатываться биогаз. Если запускать установку в теплое время года, то при температуре окружающего воздуха свыше 20°C примерно через неделю реакция начнется, масса в реакторе начнет сама разогреваться, начнет выделяться биогаз. В холодное время года такой запуск невозможен. Поэтому для запуска необходим либо внешний источник газа, либо система электроподогрева. И если газ в большинстве случаев будет недоступен, то использовать электричество почти всегда возможно. А для малых установок система электроподогрева представляется единственно рациональной. Она не слишком дорогая, легко управляется и при хорошей термоизоляции реактора не будет слишком дорогой в эксплуатации.

Система перемешивания массы в реакторе

Сырье в реакторе в процессе протекания реакции имеет тенденцию разделяться на фракции. На дне реактора скапливается нерастворимый осадок, более легкие частички, увлекаемые пузырьками газа, поднимаются наверх и образуют корку. Все это существенно замедляет скорость реакции.

Для того, чтобы реакция протекала равномерно и эффективно, массу внутри реактора необходимо время от времени перемешивать. Также перемешивание улучшает равномерность прогрева сырья.

Но перемешивание химически активной массы внутри герметичного реактора — нетривиальная задача. Детали перемешивающего устройства должны быть сделаны из коррозионно-стойкого материала. Привод перемешивающего устройства должен находиться либо внутри реактора, либо необходимо применить высококачественную переходную муфту. Можно также применить гидравлическое либо пневматическое перемешивание. Из всех четырех способов самым дешевым и надежным для малых установок получается применение перемешивающего устройства, находящегося внутри реактора. Специальные переходные муфты не являются стандартным изделием, поэтому применение их в малых и средних биогазовых установках целесообразно при их серийном выпуске. Для пневматического перемешивания нужен качественный пожаро- и взрывобезопасный компрессор. Для гидравлического перемешивания нужен качественный мощный фекальный насос, который достаточно дорого стоит. Поэтому два последних способа целесообразней применять в крупных установках.

Мы пока применяем два первых способа перемешивания.

Система термоизоляции реактора

Реактор, как указано выше, представляет собой термос. Чем качественнее будет сделана термоизоляция, тем выше будет КПД реактора, тем меньше энергии будет расходоваться на поддержание необходимой температуры. Особенно важна термоизоляция при эксплуатации биогазовой установки в зимних условиях.

Идеальный термос имеет полые стенки, внутри которых вакуум. Реально это изготовить невозможно, но основной принцип термоизоляции состоит именно в этом: помимо внутренней силовой стенки реактора делается внешняя герметичная стенка с отражающим слоем, направленным внутрь. Между стенками — пустота, либо пористый наполнитель.

Газгольдер

Газгольдер — это емкость, в которой накапливается выработанный биогаз. Также газгольдер в биогазовой установке выполняет функцию стабилизатора давления газа и буфера при заправке реактора и сливе удобрений.

В больших биогазовых установках газгольдером служит сам реактор, который закрывается сверху специальной резиновой мембраной. Рабочий объем такого газгольдера не очень большой, но у крупных биогазовых установок нет неравномерностей в потреблении газа, поскольку весь газ сразу перерабатывается в электричество.

В малых и средних биогазовых установках потребление биогаза непредсказуемо, поэтому желательно, чтобы рабочий объем газгольдера соответствовал хотя бы одно- или двухчасовой выработке биогаза установкой. Также желательно, чтобы рабочий объем газгольдера более чем в два раза превышал объем единоразовой заправки или слива сырья. Для малых и средних биогазовых установок обычно применяют мокрые и сухие газгольдеры. Мокрый газгольдер имеет заметно большую стоимость и сложность в эксплуатации, чем сухой, изготовленный из современных синтетических материалов.

Газовая система

Биогаз, выработанный биогазовой установкой, не подается напрямую потребителю, а проходит через несколько специальных устройств, которые можно назвать газовой системой биогазовой установки.

Прежде всего, биогаз необходимо пропустить через обратный клапан, который обеспечивает движение газа только в одном направлении — от реактора к потребителю. Самый простой обратный клапан — жидкостный, похожий на тот, который мы применяем, сбраживая домашнее вино. Этот обратный клапан может быть общим для нескольких реакторов, обеспечивая одновременно независимость их газовых систем, и в то же время равенство давлений в рабочих режимах.

Для контроля над давлением газа устанавливается манометр. Также обязательным и важнейшим элементом является предохранительный клапан, который стравливает в атмосферу биогаз при превышении допустимого давления. Такой предохранительный клапан тоже проще и дешевле всего сделать жидкостным, как и обратный клапан. Только жидкость в него необходимо заливать незамерзающую и неиспаряющуюся, типа «Тосол», поскольку она напрямую сообщается с атмосферой.

Вообще говоря, метан — основная составная часть биогаза — более всего разрушает озоновый слой Земли, и поэтому выбросы метана в атмосферу с точки зрения экологии очень нежелательны. Поэтому биогаз, прошедший через предохранительный клапан, обычно сжигают в факельной установке. Факельная установка — это горелка, на которую подается искра для розжига в момент срабатывания предохранительного клапана, и огонь поддерживается, пока предохранительный клапан открыт. То есть механизм действия точно такой же, как и в современных газовых котлах.

Система слива переработанного сырья

В больших биогазовых установках шлам, или отработанное сырье сливают при помощи шнековых насосов.

Для малых и средних биогазовых установок, выполненных на базе реакторов нашей конструкции, выгоднее всего сливать шлам под действием силы тяжести в емкость, расположенную ниже реакторов. При этом система слива представляет собой обычную канализационную трубу с соответствующим краном. Главная технологическая особенность — это окончание трубы, которое должно обеспечить невозможность засасывания в реактор воздуха при сливе.

Автоматика управления биогазовой установкой

Для бесперебойного функционирования биогазовой установки необходим блок автоматики, который контролирует все параметры и поддерживает заданную температуру и интенсивность реакции. Работа блока автоматики базируется на информации, снимаемой несколькими датчиками: датчиком температуры сырья в реакторе, датчиками уровня сырья в реакторе. Основываясь на этих показаниях, а также по сигналам таймера, блок автоматики включает и выключает систему подогрева, систему перемешивания, а также сигнализирует о начале и конце залива и слива сырья.

Блок автоматики нашей разработки базируется на стандартных недорогих промышленных контроллерах. Для управления мощной нагрузкой, такой как электронагревательные элементы или двигатели системы перемешивания, применяются магнитные пускатели.

Алгоритмы работы биогазовой установки

В зависимости от количества реакторов у биогазовой установки может быть несколько алгоритмов работы, базирующихся на непрерывном или прерывистом цикле.

В первой загрузке реактора биогазовой установке обязательно должно присутствовать некоторое количество анаэробных бактерий. В природных условиях эти бактерии живут в «рубце» крупного рогатого скота. Поэтому навоз КРС — самое лучшее сырье для старта работы биогазовой установки. Также «закваской» может служить шлам — отработанное сырье биогазовой установки. После загрузки и разогрева сырья до требуемой температуры может пройти неделя, пока выделение газа достигнет номинальных величин. Цикл брожения длится от двух недель до месяца, но шлам сливают тогда, когда выделение газа заметно падает. Шлам сливают на две трети, оставляя в реакторе одну треть в качестве «закваски». Затем цикл повторяется. Понятно, что при таком прерывистом алгоритме работы биогазовой установки, выделение газа будет неравномерным, а следовательно биогаз сложно использовать для каких-нибудь полезных целей.

Есть режим непрерывного цикла, когда, например, каждый день из реактора сливается 1/20 объема шлама, и такое же количество сырья заливается. Газ при этом выделяется равномерно, но биоудобрения получаются некачественными, поскольку в сливаемом шламе находится 1/20 неперебродившего сырья. Это вредно также и с экологической точки зрения.

Для доводки биоудобрений до требуемой кондиции в таком случае применяют камеру дображивания.

Схема параллельного и последовательного соединения реакторов для наращивания мощности биогазовой установки

Камера дображивания фактически представляет собой еще один реактор. Именно эта мысль и натолкнула нас на один из ключевых моментов нашей технологии производства биогазовых установок.

Можно делать биогазовые установки с несколькими реакторами. При увеличении количества реакторов остается та же самая система загрузки и система слива сырья (точнее, они увеличиваются незначительно) газовую систему обогрева можно спроектировать с таким запасом, чтобы тот же котел мог потянуть несколько реакторов, система автоматики увеличивается только на необходимое число модулей управления температурой. То есть, при увеличении мощности биогазовой установки путем добавления дополнительных реакторов, стоимость установки растет не пропорционально увеличению суммарного объема реакторов, а меньше.

Реакторы можно соединять параллельно и последовательно. Если N реакторов соединяются параллельно, то выгрузка и загрузка в каждый из реакторов по очереди производится через каждые 20/N дней (с учетом длительности цикла в 20 дней). При этом каждый реактор один раз в 20 дней опорожняется на две трети, и затем заполняется свежим сырьем. Качество биоудобрений при этом будет максимальным, но выработка биогаза недостаточно равномерной, особенно, если реакторов мало.

Если соединить реакторы последовательно, то необходимо каждый день сливать и заливать 1/20 суммарной рабочей емкости реакторов (она составляет 80% общей емкости реакторов). Выработка биогаза при этом будет максимально равномерной. Качество удобрений будет зависеть от количества реакторов.

Мезофильный и термофильный режимы работы биогазовой установки

Есть несколько видов анаэробных бактерий, каждый из которых максимально эффективно работает при определенной температуре. В связи с этим различают различные температурные режимы брожения. На практике используются два режима: мезофильный (30-40°C) и термофильный (51-55°C).

В термофильном режиме реакция идет в два раза быстрее, и соответственно в два раза быстрее выделяется биогаз. Также термофильный режим имеет преимущества с точки зрения экологии, поскольку в этом режиме уничтожаются почти полностью все болезнетворные микроорганизмы. Но термофильный режим требует больших энергозатрат на поддержание необходимой температуры реакции, а также большей точности поддержания температуры. Кроме того, качество биоудобрений в этом режиме получается хуже, чем в мезофильном.

Мезофильный режим предъявляет менее строгие требования к точности поддержания температуры, но не всегда может подходить с точки зрения экологии.
Если нас интересуют прежде всего биоудобрения, то мезофильный режим — это безальтернативный выбор. Если необходимо существенно сэкономить на стоимости биогазовой установки, то подходит термофильный режим. Ведь установка, работающая в термофильном режиме имеет в два раза большую пропускную способность, и, соответственно, может быть уменьшена в два раза по сравнению с установкой, работающей в мезофильном режиме, при переработке того же количества сырья.