Использование биогаза

Основным способом применения биогаза является превращение его в источник тепловой, механической и электрической энергии. Однако крупные биогазовые установки можно использовать для создания производств по получению ценных химических продуктов для народного хозяйства.

На биогазе могут работать газосжигающие устройства, вырабатывающие энергию, которая используется для отопления, освещения, снабжения кормоприготовительных цехов, для работы водонагревателей, газовых плит, инфракрасных излучателей и двигателей внутреннего сгорания.

Наиболее простым способом является сжигание биогаза в газовых горелках, так как газ можно подводить к ним из газгольдеров под низким давлением, но более предпочтительно использование биогаза для получения механической и электрической энергии. Это приведет к созданию собственной энергетической базы, обеспечивающей эксплуатационные нужды хозяйств.

Таблица 18. Компоненты биогаза[21]

Газовые горелки

Рис.34. Газовая плита, работающая
на биогазе в с. Петровка
Фото: Веденев А.Г.., ОФ «Флюид»

Основой большинства бытовых приборов, в которых можно использовать биогаз, является горелка. В большинстве случаев, предпочтительны горелки атмосферного типа, работающие на предварительно смешанном с воздухом биогазе. Потребление газа горелками сложно подсчитать заранее, поэтому конструкция и настройка горелок должны определяться для каждого индивидуального случая экспериментально.

По сравнению с другими газами, биогазу нужно меньше воздуха для возгорания. Следовательно, обычные газовые приборы нуждаются в более широких жиклерах для прохождения биогаза. Для полного сгорания 1 литра биогаза необходимо около 5,7 литров воздуха, в то время, как для бутана – 30,9 литров и для пропана – 23,8 литров[8].

Модификация и адаптация стандартных горелок является делом эксперимента. По отношению к наиболее распространенным бытовым приборам, приспособленным для использования бутана и пропана можно отметить, что бутан и пропан обладают теплотворной способностью почти в 3 раза выше, чем биогаз и дают в 2 раза большее пламя.

Перевод горелок на работу на биогазе всегда приводит к более низким уровням работы приборов. Практические меры для модификации горелок включают:
• увеличение жиклеров в 2-4 раза для прохождения газа;
• изменение объема подачи воздуха.

Газовые плиты
Перед использованием газовой плиты, горелки должны быть тщательно отрегулированы для достижения:
• компактного, голубоватого пламени;
• пламя должно самопроизвольно стабилизироваться, т.е. не горящие участки горелки должны самостоятельно загораться в течение 2-3 секунд.

Рис.35. Водонагревательный котел
для отопления дома с излучающими керамическими нагревателями в с. Петровка
Фото: Веденев А.Г.., ОФ «Флюид»

Излучающие нагреватели
Излучающие нагреватели используются в сельском хозяйстве для получения нужных температур для выращивания молодняка, например поросят и цыплят в ограниченном пространстве. Необходимая поросятам температура начинается от 30-35°C в первую неделю и затем медленно падает до температуры 18-23°C в 4 и 5 недели.

Как правило, регулировка температуры состоит в поднятии или опускании обогревателя. Хорошая вентиляция является необходимостью для предотвращения концентрации CO или CO2. Следовательно, животные должны находиться под постоянным присмотром, и температура проверяется через регулярные интервалы. Обогреватели для поросят или цыплят потребляют около 0,2 – 0,3 м3 биогаза в час.

Тепловое излучение обогревателей

Рис.36. Регулятор давления газа

Фото: Веденев А.Г.., ОФ «Флюид»

Излучающие нагреватели реализуют инфракрасное тепловое излучение через керамическое тело, которое нагревается до ярко-красного состояния при температурах 900-1000°C пламенем. Обогревающая возможность излучающего обогревателя определяется умножением объема газа на чистую теплотворную способность, так как 95 % энергии биогаза превращается в тепло. Выход тепловой энергии от маленьких нагревателей составляет
от 1.5 до 10 кВт тепловой энергии8.

Предохранитель и воздушный фильтр
Использующие биогаз излучающие нагреватели должны всегда быть оборудованы предохранителем, который прекращает подачу газа в случае снижения температуры, то есть в случае, когда газ не сжигается.

Потребление биогаза
Бытовые газовые горелки потребляют 0,2 – 0,45 м3 биогаза в час, а промышленные – от 1 до 3 м3 биогаза в час. Необходимый объем биогаза для приготовления пищи может быть определен на основании времени, ежедневно затрачиваемого на приготовление пищи.

Таблица 19. Расход биогаза для бытовых нужд

Двигатели, работающие на биогазе
Биогаз можно применять в качестве топлива для автомобильных двигателей, причем эффективность его в этом случае зависит от содержания метана и наличия примесей. На метане могут работать как карбюраторные, так и дизельные двигатели. Однако, так как биогаз является высокооктановым топливом, более эффективно его использование в дизельных двигателях.
Для работы двигателей необходимо большое количество биогаза и установка на двигатели внутреннего сгорания дополнительных устройств, которые позволяют им работать как на бензине, так и на метане.

Рис.37. Газоэлектрогенератор в с. Петровка

Фото: Веденев А.Г.., ОФ «Флюид»

Газоэлектрогенераторы
Опыт показывает, что биогаз экономически целесообразно использовать в газоэлектрогенераторах, при этом сжигание 1 м3 биогаза позволяет вырабатывать от 1,6 до 2,3 кВт электроэнергии. Эффективность такого использования биогаза повышается за счет использования тепловой энергии, образующейся при охлаждении мотора электрогенератора, для обогрева реактора биогазовой установки.

Очистка биогаза

Для использования биогаза в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания необходимо предварительная очистка биогаза от воды, сероводорода и углекислоты.

Уменьшение содержания влаги

Биогаз насыщен влагой. Очистка биогаза от влаги состоит в его охлаждении. Это достигается при пропускании биогаза по подземной трубе для конденсации влаги при более низких температурах. Когда газ вновь подогревается, содержание влаги в нем существенно уменьшается. Такое высушивание биогаза особенно полезно для используемых счетчиков сухого газа, так как они со временем обязательно заполняются влагой.

Уменьшение содержания сероводорода

Рис.38. Сероводородный фильтр и абсорбер для отделения углекислоты в с. Петровка
Фото: Веденев А.Г.., ОФ «Флюид»
Сероводород, смешивающийся в биогазе с водой, образует кислоту, вызывающую коррозию металла. Это является серьезным ограничением использования биогаза в водных обогревателях и двигателях.
Наиболее простым и экономичным способом очистки биогаза от сероводорода является сухая очистка в специальном фильтре. В качестве абсорбера применяется металлическая «губка», состоящая из смеси окиси железа и деревянной стружки. С помощью 0,035 м3 металлической губки из биогаза можно извлечь 3,7 кг серы. Если содержание сероводорода в биогазе составляет 0,2%, то этим объемом металлической губки можно очистить от сероводорода около 2500 м3 газа. Для регенерации губки ее необходимо подержать некоторое время на воздухе.
Минимальная стоимость материалов, простота эксплуатации фильтра и регенерация абсорбера делают этот метод надежным средством защиты газгольдера, компрессоров и двигателей внутреннего сгорания от коррозии, вызванной продолжительным воздействием сероводорода, содержащегося в биогазе. Окись цинка также является эффективным абсорбентом сероводорода, причем это вещество имеет дополнительные преимущества: оно абсорбирует также органические соединения серы (карбонил, меркаптан и т.д.) 18

Уменьшение содержания углекислоты
Уменьшение содержания углекислоты – сложный и дорогой процесс. В принципе, углекислота может быть отделена путем впитывания в известковое молоко, но такая практика приводит к образованию больших объемов извести, и не подходит для использования в системах большого объема. Углекислота сама по себе является ценным продуктом, который можно использовать в различных производствах.

Рис.39. УАЗ, работающий на биогазе
в с. Петровка
Фото: Веденев А.Г.., ОФ «Флюид»

Использование метана
Современные исследования химиков открывают большие возможности использования газа – метана, для производства сажи (красящее вещество и сырье для резиновой промышленности), ацетилена, формальдегида, метилового и этилового спирта, метилена, хлороформа, бензола и других ценных химических продуктов на базе больших биогазовых установок18.

Потребление биогаза двигателями
В с. Петровка Чуйской области КР биогазовая установка Ассоциации «Фермер» объемом 150 м3 обеспечивает биогазом для бытовых нужд 7 крестьянских хозяйств, работу газоэлектрогенератора и 2-х автомашин – УАЗа и ЗИЛа. Для работы на биогазе двигатели были дооборудованы специальными устройствами, а автомашины – стальными баллонами для закачки газа.
Средние значения потребления биогаза для производства 1 кВт электроэнергии двигателями Ассоциации «Фермер», – около 0,6 м3 в час.

Таблица 20. Использование биогаза в качестве моторного топлива в с. Петровка

Рис.40. Факельная горелка для сжигания излишков биогаза в с. Петровка
Фото: Веденев А.Г.., ОФ «Флюид»

Эффективность использования биогаза
Эффективность использования биогаза составляет 55% для газовых плит, 24% для двигателей внутреннего сгорания. Наиболее эффективный путь использования биогаза – в качестве комбинации тепла и энергии, при котором можно достичь 88% эффективности8. Использование биогаза для работы газовых горелок в газовых плитах, отопительных котлах, кормозапарниках и теплицах – лучший вид использования биогаза для фермерских хозяйств Кыргызстана.

Излишки биогаза
В случае излишка вырабатываемого установкой биогаза, рекомендуется не выбрасывать его в атмосферу – это приведет к неблагоприятному влиянию на климат, а сжигать. Для этого в газораспределительную систему устанавливается факельное устройство, которое должно находиться на безопасном расстоянии от строений.