До начала строительства биогазовой установки нужно учитывать условия, необходимые для ее эффективной работы. Поломка или плохая работа биогазовой установки, как правило, являются результатом ошибок при планировании.
Последствия таких ошибок могут быть заметны сразу или после нескольких лет работы установки. Тщательное и всестороннее планирование очень важно для исключения ошибок до того, как они станут причиной непоправимых поломок.
Планирование сооружения сельскохозяйственных биогазовых установок должно начинаться с определения потенциала производства биогаза и биоудобрения на основании имеющегося количества сырья, а также необходимого хозяйству количества энергии.
Если биогазовая установка предназначается в первую очередь как источник энергии, строительство рекомендовано только в том случае, когда расчеты потенциального производства биогаза достаточны для удовлетворения потребности хозяйства в энергии.
Выбор размера реактора
Размер реактора измеряется в кубических метрах и зависит от количества, качества и типа сырья, а также выбранной температуры и времени сбраживания. Есть несколько способов определения необходимого объема реактора.
Отношение суточной дозы загрузки сырья и размера реактора
Суточная доза загрузки сырья определяется, исходя из времени сбраживания (время оборота реактора) и выбранного температурного режима. Для мезофильного режима сбраживания, время оборота реактора составляет от 10 до 20 суток, а суточная доза загрузки – от 1/20 до 1/10 от общего объема сырья в реакторе.
Размер реактора для переработки определенного количества сырья
Сначала, исходя из количества животных, опытным путем определяется суточное количество навоза (ДН) для переработки в биогазовой установке. Затем, сырье разбавляется водой для достижения 86% – 92% влажности.
В большинстве сельских установок, соотношение навоза и воды, смешиваемых для получения сырья колеблется от 1:3 до 2:1. Таким образом, количество загружаемого сырья (Д) – это сумма отходов хозяйства (ДН) и воды (ДВ), которой они разбавляются.
Для переработки сырья при мезофильном режиме рекомендуется использовать дозу суточной загрузки Д, равную 10% от объема общего загруженного в установку сырья (ОС). Общий объем сырья в установке не должен превышать 2/3 объема реактора.
Таким образом, объем реактора (ОР) рассчитывается по следующей формуле:
ОС = 2/3 ОР, а ОР = 1,5 ОС
Где
ОС = 10×Д
Д = ДН + ДВ.
Пример 7: Приусадебное хозяйство содержит 10 КРС, 20 свиней и 35 кур. Объем суточных экскрементов от 1 КРС = 55 кг, от одной свиньи = 4,5 кг, от 1 курицы = 0,17 кг.
Объем суточных отходов хозяйства ДН будет равен 10×55 + 20×4,5 + 35×0,17 = 550 + 90 + 5,95 = 645,95 килограмм, примерно 646 кг. Влажность экскрементов КРС и свиней составляет 86%, а куриного помета – 75%.
Для достижения 85% влажности необходимо добавить к птичьему помету 3,9 литра воды (около 4 кг).
Значит, суточная доза загрузки сырья составит около 650 кг. Полная загрузка реактора ОС = 10×0,65 = 6,5 тонн, и объем реактора ОР = 1,5×6,5 = 9,75, или примерно 10 м3.
Расчет выхода биогаза
Расчет суточного выхода биогаза подсчитывается в зависимости от типа сырья и суточной порции загрузки.
Таблица 10. Расчет выхода биогаза для разных типов сырья
| Тип сырья | Выход газа (м3 на 1 кг сухого вещества) |
Выход газа (м3 на 1 тонну при влажности 85 %) |
|---|---|---|
| Навоз КРС | 0,250 – 0,340 | 38 – 51,5 |
| Свиной навоз | 0,340 – 0,580 | 51,5 – 88 |
| Птичий помет | 0,310 – 0,620 | 47 – 94 |
| Конский навоз | 0,200 – 0,300 | 30,3 – 45,5 |
| Овечий навоз | 0,300 – 0,620 | 45,5 – 94 |
Пример 8: Приусадебное хозяйство содержит 10 КРС, 20 свиней и 35 кур. Объем суточного количества экскрементов от КРС = 55 кг, от свиньи = 4,5 кг, от курицы = 0,17 кг. Объем суточных отходов хозяйства будет равен 550 килограмм экскрементов КРС (влажность 85%) , 90 килограммам свиных экскрементов (влажность 85%) и 5,95 килограммам куриного помета (влажность 75%). После разбавления помета водой для достижения 85% влажности, количество сырья от кур будет составлять около 10 кг.
Согласно таблице, выход биогаза с 1 килограмма
• навоза КРС при влажности 85% примерно равен 0,04 –0,05 м3 биогаза
• свиного навоза при влажности 85% примерно равен 0,05 – 0,09 м3 биогаза
• куриного помета при влажности 85% примерно равен 0,05 – 0,09 м3 биогаза.
Следовательно,
• выход биогаза с 550 килограмм навоза КРС будет равен 22 – 27,5 м3 биогаза
• выход биогаза с 90 килограмм свиного навоза будет равен 4,5 – 8,1 м3 биогаза
• выход биогаза с 10 килограмм куриного навоза будет равен 0,5 – 0,9 м3 биогаза,
• и общий выход биогаза будет 27 – 36,5 м3 биогаза в сутки.
Баланс между потребностью в энергии и выходом биогаза
Необходимость в энергии для каждого индивидуального хозяйства определяется исходя из суммы всех настоящих и будущих потребительских ситуаций, таких как приготовление пищи, свет, производство энергии. Необходимо также учитывать потребление биогаза на подогрев сырья в реакторе, которое в условиях Кыргызстана составляет от 10% до 25%, в зависимости от времени года.
Количество биогаза, необходимое хозяйству, можно определить по количеству энергии, потребляемой ранее. Например, сжигание 1 кг дров аналогично сжиганию 650 литров или 0,65 м3 биогаза, сжигание 1 килограмма кизяка – 0,7 м3 биогаза, а 1 кг угля – 1,1 м3 биогаза.
Необходимый объем биогаза для приготовления пищи может быть определен на основании времени, ежедневно затрачиваемого на приготовление пищи. Необходимое количество биогаза для приготовления одной порции пищи для одного человека составляет 0,15 – 0,3 м3 биогаза. Для кипячения 1 литра воды необходимо 0,03 – 0,05 м3 биогаза. Для отопления 1 м2 жилой площади необходимо около 0,2 м3 биогаза в сутки. Бытовые горелки потребляют 0,20 – 0,45 м3 в час.
Пример 9: Семья из 4 человек живет в доме площадью 100 м3, содержит 20 коров на площади 100 м3 и перерабатывает навоз в биогазовой установке с объемом реактора 15 м3.
Трехразовое приготовление пищи для семьи из 4 человек потребует от 1,8 до 3,6 м3 биогаза, а отопление помещения площадью 100 м2 потребует около 20 м3 биогаза в сутки. На обогрев реактора (например, в сентябре) необходимо 15% вырабатываемого биогаза. Для подогрева реактора установки объемом 15 м3 нужно будет тратить около 6 м3 биогаза ежедневно.
На содержание 1 коровы необходимо около 3 литров кипяченой воды в день, следовательно, для содержания 20 коров – необходимо вскипятить 60 литров воды, на что уйдет 1,8 – 3 м3 биогаза в день. На отопление необходимых для животных помещений общей площадью 100 м2 необходимо 20 м3 в сутки.
Таким образом, на содержание животных необходимо 21,8 – 23 м3 биогаза в сутки. На все хозяйство необходимо 49,6 – 52,6 м3 биогаза в сутки.
Выбор размера газгольдера
Размер газгольдера, то есть его объем, зависит от уровня производства и уровня потребления биогаза. В идеале, газгольдер должен быть рассчитан для того, чтобы вмещать суточный объем вырабатываемого биогаза. В зависимости от типа газгольдера и выдерживаемого им давления, объем газгольдера составляет от 1/5 до 1/3 от объема реактора.
Выбор месторасположения установки Золотое правило расположения биогазовой установки гласит, что установка принадлежит ферме, а не кухне. Лучше, если емкость для смешивания сырья напрямую соединяется с полом фермы. Даже если придется проложить несколько метров труб, это дешевле, чем транспортировка сырья.
Уровень пола фермы должен располагаться выше уровня емкости для подготовки сырья, тогда навоз и урина животных будут попадать в эту емкость под действием сил гравитации самостоятельно. Если узел выгрузки биогазовой установки будет расположен выше уровня близлежащих полей, это будет способствовать более легкому распределению биоудобрений по этим полям.
Выбор конструкции биогазовой установки
В настоящее время разработано множество конструкций биогазовых установок, подходящих для работы в различных климатических и социо-культурных условиях. Выбор конструкции биогазовой установки – важнейший этап процесса планирования.
До выбора конструкции нужно иметь представление о базовых проблемах и выборах, возможных для биогазовой установки.
В местностях со сравнительно холодным климатом, таких как Кыргызстан, изоляция и подогрев реактора важны для круглогодичной работы установки. Количество и тип перерабатываемого сырья влияют на размер и тип установки и конструкции систем загрузки и выгрузки сырья. Выбор конструкции установки также зависит от наличия строительных материалов.
Критерии для выбора конструкции:
Место: определяет в основном подземный или надземный реактор будет строиться и в случае надземной конструкции, вертикальный или горизонтальный.
Существующие сооружения могут быть использованы для хранения биоудобрений, например пустующие ямы или металлические емкости. Для минимизации затрат при планировании необходимо учитывать наличие уже готовых частей установки.
Минимизация затрат может быть важным критерием выбора конструкции, особенно если денежная прибыть от установки будет невелика. В таких случаях обычно выбирают гибкий газгольдер. Но уменьшение затрат обычно означает меньший объем производимого биогаза.
Наличие сырья определяет не только размер и форму емкости для смешивания сырья, но и объем реактора, подогревающие и перемешивающие устройства. Перемешивание с помощью биогаза возможно при содержании твердых частиц ниже 5%. Механическое перемешивание сталкивается с трудностями при содержании в сырье более 10% твердых частиц.