Распространенные типы биогазовых установок
Рис.10. Баллонная установка в Шри-Ланке
Источник: SNV Reference Guide on Climate Change and Rural Energy, 2004, http://www.snvworld.org/cds/rgccre/ClimateChange_RuralEnergy.htm.
Распространенные в мире типы биогазовых установок классифицируются по методам загрузки сырья, методам сбора биогаза, по используемым для их сооружения материалам, горизонтальному или вертикальному расположению реактора, подземной или наземной конструкции, а также по использованию дополнительных устройств.
Методы загрузки
По методу загрузки сырья можно различить два разных типа биогазовых установок:
Установки порционной загрузки полностью загружаются сырьем, а затем полностью освобождаются после определенного времени переработки. Для такого типа загрузки подходят установки любой конструкции и любой тип сырья, но такие установки отличаются нестабильным производством биогаза.
Рис.11. Установка канального типа
Источник:«Biomass Energy Systems»,
ACRE, the Australian CRS for Renewable Energy Ltd,
http://wwwphys.murdoch.edu.au/acre/.
Установки непрерывной загрузки ежедневно загружаются маленькими порциями сырья. При загрузке нового сырья, равная порция переработанного шлама выгружается. Сырье, перерабатываемое в таких установках, должно быть жидким и однородным. Производство газа стабильно и количественно превышает объем вырабатываемого на порционных установках биогаза. Практически все стоящиеся сейчас в развитых странах установки работают как установки непрерывной загрузки.
Методы сбора биогаза
Внешний вид биогазовых установок зависит от выбранного метода сбора биогаза.
Рис.12. Установка с фиксированным куполом
Источник: AT Information: Biogas, GTZ project Information and Advisory Service on Appropriate Technology (ISAT), Eshborn, Deutschland, 1996
Баллонные установки представляют собой термостойкий пластиковый или резиновый мешок (баллон), в котором совмещены реактор и газгольдер. Трубы для загрузки и выгрузки сырья крепятся прямо к пластику реактора. Давление газа достигается за счет растяжимости мешка и за счет дополнительного груза, который ложится на мешок. Преимущества такой установки – низкая стоимость, легкость перемещения, простота конструкции, высокая для психофильного режима температура брожения, простота очистки реактора, загрузки и выгрузки сырья. Недостатки такой установки – короткий период эксплуатации (2-5 лет), высокая восприимчивость к внешним воздействиям, малая возможность создания дополнительных рабочих мест8.
Вариантом баллонных установок являются установки канального типа, которые обычно закрываются пластиком и предохраняются от прямого попадания солнечных лучей. Такие установки часто используются в развитых странах, особенно при переработке сточных вод. Установки с мягким верхом могут быть рекомендованы к использованию тогда, когда существует малая вероятность повреждения резиновой оболочки реактора и когда температура окружающей среды достаточно высокая.
Установки с фиксированным куполом состоят из закрытого, куполообразного реактора и выгрузочной емкости, также известной как компенсирующая емкость. Газ собирается в верхней части реактора – куполе. Когда загружается очередная порция сырья, переработанное сырье выталкивается в компенсирующую емкость. С увеличением давления газа, повышается уровень переработанного сырья в компенсирующей емкости.
Китайские установки с фиксированным куполом (см. Рис. 15) являются архетипом всех подобных установок. Более 12 миллионов таких установок было построено и работает в Китае24.
Использование газа в бытовых приборах осложняется переменами в давлении газа. Горелки и другие бытовые приборы практически невозможно настроить для оптимальной работы. Если необходимо постоянное давление газа, рекомендуется поставить регулятор давления в реакторе или выбрать другую конструкцию установки8.
Рис.13. Установка с плавающим куполом
в с.Садовое Литинского района,
Винницкой области, Украина
Источник: СФГ «ТЕРРА»http://www.is.svitonline.com/teppa/
Реакторы установок с фиксированным куполом обычно представляют собой кирпичные или бетонные емкости. Такие установки покрываются землей до вершины, наполненной газом для сдерживания внутреннего давления (до 0,15 бар). По экономическим причинам минимальный рекомендуемый размер реактора 5 м3. Известны такие установки с объемами реакторов до 200 м3.
Рис.14. Индийский стандарт на сооружение установки с плавающим куполом
Источник: AT Information: Biogas, GTZ project Information and Advisory Service on Appropriate Technology (ISAT), Eshborn, Deutschland, 1996
Газгольдером является верхняя часть установки с фиксированным куполом (место, где собирается газ), которая должна быть герметична. Кирпичная кладка и бетон не герметичны, поэтому эта часть установки должна покрываться слоем вещества не пропускающим газ (латекс, синтетические краски). Возможностью уменьшить риск трещин в газгольдере является строительство слабого кольца в кладке реактора. Такое кольцо является эластичным соединением между нижней (водонепроницаемой) и верхней (газонепроницаемой) частью полусферической структуры установки. Оно предотвращает продвижение трещин, появляющихся из-за гидростатического давления в нижних частях реактора в верхнюю часть газгольдера.
Установки с плавающим куполом состоят обычно из подземного реактора и подвижного газгольдера. Газгольдер плавает или прямо в сырье или в специальном водяном кармане. Газ накапливается в газгольдере, который поднимается или опускается в зависимости от давления газа. Газгольдер поддерживается специальной рамкой от опрокидывания. Если газгольдер плавает в специальном водном кармане, он предохранен от опрокидывания.
Преимуществами этой конструкции являются легкость ежедневных операций, легкость определения объема газа по высоте, на которую поднялся газгольдер. Давление газа является постоянным, и определяется весом газгольдера. Строительство установки с плавающим куполом нетрудное, и ошибки в конструкции обычно не ведут к большим проблемам в получении газа.
Недостатками такой конструкции являются высокая стоимость стального реактора и высокая чувствительность железа к коррозии. Поэтому, установки с плавающим куполом имеют меньший срок службы, чем установки с фиксированным верхом8.
В прошлом, установки с плавающим куполом строились в основном в Индии. Такие установки состоят из цилиндрического или куполообразного кирпичного или бетонного реактора и плавающего газгольдера.
Газгольдер плавает в специальном водяном кармане или прямо в сырье и имеет внутреннюю или внешнюю раму, которая обеспечивает стабильность и сохраняет газгольдер в вертикальном положении. При выработке биогаза, газгольдер всплывает выше, при использовании газа, он опускается. Такие установки используются, в основном, для переработки навоза, органических отходов и фекалий в режиме постоянной, т.е. ежесуточной загрузки. Чаще всего они строятся на фермах среднего размера (реактор: 5-15 м3) или в больших агро-индустриальных комплексах (реактор: 20-100 м3).
Горизонтальные и вертикальные установки
Рис.15. Биогазовая установка,
расположенная на склоне
Выбор расположения реактора установки зависит от метода загрузки и наличия свободной территории в хозяйстве. Горизонтальные установки выбирают для непрерывного метода загрузки сырья и при наличии достаточного места. Вертикальные установки больше подходят для порционной загрузки сырья и используются при необходимости для уменьшения места, занимаемого реактором.
Подземные и наземные установки
При выборе расположения установки нужно учитывать топографию и пользоваться ею для оптимизации работы установки. Например, очень удобно располагать установку на склоне, чтобы загрузочное отверстие находилось достаточно низко, сырье в реакторе перемещалось за счет легкого наклона к выгрузочному отверстию, которое находилось бы на небольшой высоте для удобства загрузки в транспортные средства.
Еще один фактор, который нужно учитывать при выборе установки, это улучшенная теплоизоляция подземных установок, включающая слабое влияние суточных изменений температуры на процесс сбраживания сырья, так как температура почвы на глубине более 1 метра практически не изменяется8.
Металлические, бетонные и кирпичные реакторы
Рис.16. Сооружение кирпичного реактора на Кубе
Источник: В. Некрасов «Микробиологическая
анаэробная конверсия биомассы», неопубл., 2002
Установки можно различать по материалам, из которых изготовляется реактор. Бетонные реакторы обычно сооружаются под землей. Бетонный реактор имеет цилиндрическую форму, и небольшие установки (до 6 м3) могут изготовляться на конвейерной основе. Необходимы специальные меры для герметизации реактора.
Преимущества: Низкие затраты на сооружение и материалы, возможность массового производства. Недостатки: Большой объем потребления хорошего качественного бетона, необходимость квалифицированных строителей и большого количества проволочной сетки, относительная новизна и конструкции, необходимость специальных мер для обеспечения герметичности газгольдера.
Кирпичные реакторы сооружаются для подземных установок с фиксированным или плавающим газгольдером и имеют округлую форму. Преимущества: Низкие начальные капиталовложения и долгий срок эксплуатации, нет движущихся или ржавеющих частей, конструкция компактна, экономит место и хорошо изолирована, строительство создает местную занятость.
Подземное расположение позволяет снизить площадь, занимаемую установкой и предохраняет реактор от резких изменений температуры. Недостатки: Кирпичный газгольдер требует специальных покрытий для обеспечения герметичности и высокого мастерства, часто случаются утечки газа, работа установки плохо контролируется из-за подземного расположения, установка требует тщательного расчета уровней постройки, подогрев сырья в реакторе очень сложен и дорог в осуществлении. Таким образом, кирпичные установки могут быть рекомендованы к применению только в теплых странах при наличии квалифицированного персонала.
Металлические реакторы подходят для любых типов установок, герметичны, выдерживают большое давление и просты в изготовлении. Часто можно использовать уже имеющиеся емкости. Но, металл относительно дорогой и требует ухода для предотвращения ржавчины.
Дополнительные устройства
Для облегчения процесса переработки сырья и уменьшения количества необходимого труда используются дополнительные устройства. Для их обзора можно рассмотреть типичную для развитых стран конструкцию биогазовой установки.
Емкость для смешивания сырья может быть разных размеров и форм, в зависимости от сырья. Обычно емкость содержит пропеллеры для смешивания или измельчения сырья и насос для загрузки сырья в реактор. Иногда, устанавливаются устройства для предварительного подогрева сырья для предотвращения замедления процесса сбраживания сырья в реакторе.
Рис.17. Типичная для развитых стран
биогазовая установка с мягким газгольдером
Источник: AT Information: Biogas, GTZ project Information and Advisory Service on Appropriate Technology (ISAT), Eshborn, Deutschland, 1996
Реактор обычно теплоизолирован и сделан из бетона или стали. Для оптимизации прохождения сырья большие реакторы имеют удлиненную форму. Сырье перемешивается медленно двигающимися роторами или биогазом. Есть установки, состоящие из двух и более реакторов.
Газгольдер делается или из гибкого материала и находится над емкостью реактора, или изготовляется из стали и располагается рядом с реактором.
Хранилище используется для хранения биоудобрения в зимнее время и может быть открытым или закрытым и соединенным с газгольдером для сбора остаточного биогаза. Биоудобрения перемешиваются перед подачей на поля.
Биогаз используется не только для работы бытовых приборов, но и для выработки электричества при помощи электрогенератора, а также для производства тепловой энергии.