Интернет, увидеть по телевизору, увидеть «живьем», получить информацию при обучении в вузе или на каких-нибудь курсах. И после этого у Вас может возникнуть желание создать такую биогазовую установку. Желание – это уже первая составляющая успеха.
Биогазовая установка – это объект, на вход которого подаются различные материалы и энергия, а на выходе возникают другие материалы и энергия. Значит, надо подумать, откуда брать то, что надо подать на вход, и куда девать то, что получится на выходе. Если Вы в состоянии ответить на эти вопросы, значит, вторая составляющая успеха у Вас уже тоже есть.
Строительство биогазовой установки требует значительных затрат. Функционирование биогазовой установки тоже требует определенных затрат. Но работающая биогазовая установка приносит доход. Значит, нужны финансовые расчеты, подтверждающие окупаемость вложенных в строительство средств и дальнейшую экономическую выгоду от эксплуатации биогазовой установки. Расчеты эти очень сложные и базируются на многих других расчетах (стоимости строительства, стоимости эксплуатации, дохода от продаж энергии, косвенного дохода от замещения покупной энергии получаемой с биогазовой установки, дохода от продаж биогумуса, дохода от замещения минеральных удобрений биогумусом на собственных посевных площадях и т.п.). Тем не менее, надо убедиться для начала хотя бы, что у Вас хватит собственных средств, или же Вы сможете оперативно привлечь инвестиционные или кредитные средства, чтобы без задержек построить и запустить биогазовую установку. Как ни цинично это звучит, но в 99% случаев биогазовая установка – не для бедных.
Если Вы думаете о большой биогазовой установке, такие расчеты надо заказывать специалистам. Предварительные расчеты для Вас могут сделать бесплатно, но уточненные расчеты требуют больших трудозатрат и поэтому стоят денег. Малую установку можно рассчитывать и самостоятельно, но строительство ее собственными силами не всегда целесообразно, и поэтому на каком-то этапе приходится привлекать специалистов. Далее мы покажем, что же и как можно подсчитать самостоятельно до того, как задавать вопросы специалистам.
Желание считать не надо. Оно или есть, или нет. Поэтому начнем сразу с входных материалов и энергии. Для бесперебойного функционирования биогазовой установки необходима бесперебойная подача сырья. Сырьем должна быть органика, но не любая. Не подходит сырье с высоким содержанием лигнина, а это древесина, солома. Не подходит сырье, пропитанное смолами, а это сырье, содержащее опилки хвойных деревьев. Не подходит сырье с низким содержанием органического сухого вещества, то есть, с повышенной влажностью. Влажность исходного сырья не должна быть больше 94%. Для переработки очень влажного сырья применяются другие типы реакторов и техпроцессов. Не подходит сырье с высоким содержанием бактерицидных веществ. Это сточные воды с синтетическими моющими веществами, это отходы, интенсивно покрытые плесенью. Не подходит сырье, в котором начался, интенсивно идет или уже закончился процесс аэробного брожения. Это, например, гниющий навоз.
В остальных случаях сырье обычно годится для анаэробной переработки. Еще бывает ограничение, когда сырье не может быть переработано самостоятельно без добавок другого сырья. Например, это жир. Он не гомогенизируется с водой, очень быстро с ней расслаивается, поэтому из него невозможно приготовить субстрат. Но в качестве добавки (кофермента) к растительному сырью, навозам или пометам он может существенно повысить удельный выход биогаза.
Итак, необходимо определить, какие типы сырья есть у Вас, сколько каждого типа сырья образуется в среднем ежесуточно, какая влажность, зольность и плотность у каждого типа сырья.
Если Вы – владелец крупных источников сырья и у Вас есть достаточные средства, Вы можете заказать соответствующие исследования свойств сырья в лаборатории. Если Вы думаете лишь о малой установке, то в большинстве случаев можно обойтись собственными силами и античной методикой измерений.
Измерить плотность можно методом Архимеда с помощью ведра и пружинных весов. Для этого пустое ведро взвешивается. Затем ведро заливается водой почти доверху и взвешивается. На месте уровня ставится метка. Поскольку плотность воды составляет 1000 кг/м3, то помеченный уровень соответствует объему в литрах, равному весу ведра с водой минус вес пустого ведра в килограммах. Потом воду из ведра выливают и добавляют некоторое количество сырья и опять взвешивают ведро. Разность веса сырья в ведре и ведра – это вес сырья. Потом в ведро доливается вода до метки, и ведро опять взвешивается. Разница в весе ведра с водой и сырьем и ведра с сырьем в килограммах соответствует объему долитой воды в литрах. Соответственно, объем сырья – это разность измеренного ранее объема по метке и вычисленного объема долитой воды. Теперь остается только разделить вес сырья на объем сырья, чтобы получить его плотность.
Влажность и зольность сырья просто определить невозможно, поэтому эти параметры берутся из статистических таблиц. Свежая растительность обычно имеет влажность около 70%. Навоз без мочи имеет влажность 65-70%. Помет имеет влажность 75%. Навоз с мочой имеет влажность 80-85%. Влажность и зольность нужны для вычисления суточного выхода биогаза будущей биогазовой установки. Влажность и плотность нужны для вычисления геометрических размеров будущей установки. Зная их, можно вычислить объем суточной дозы субстрата и размеры емкостей биогазовой установки. Однако суточную дозу субстрата можно вычислить приблизительно экспериментальным путем. Для определения количества воды, которое нужно добавлять в сырье для приготовления субстрата, не обязательно нужно знать влажность сырья. В субстрате нас интересует, прежде всего, вязкость. Воду (или фильтрат) в субстрат добавляют, прежде всего, для получения нужных механических свойств. Влаги, изначально имеющейся в сырье, обычно уже достаточно для обеспечения процесса анаэробного брожения. Но для эффективного протекания этого процесса в мезофильном или термофильном режимах, а также на стадии гидролиза, субстрат надо тщательно перемешивать. Поэтому субстрат должен быть настолько текучим, чтобы его можно было прокачать по трубам и перемешать механическими или гидравлическими мешалками. Обычно необходимую текучесть имеет субстрат влажностью не менее 88%. Но мы можем определить это экспериментально с помощью того же ведра и весов.
Взвесим ведро. Добавим сырье в ведро и взвесим. Получим вес сырья. Небольшими порциями будем добавлять воду в ведро и тщательно перемешивать с сырьем. Процесс добавления воды прекратим, когда полученный субстрат станет достаточно текучим для беспрепятственного перемешивания (консистенция жидкой сметаны). Взвесим ведро и вычтем из полученного веса вес ведра с сырьем. Получим вес воды. Разделим его на вес сырья и получим соотношение веса воды и веса сырья для приготовления субстрата. Теперь, зная суточную порцию сырья, мы можем посчитать и суточный вес субстрата. Плотность сырья мы измерили в предыдущем опыте. Плотность воды известна. Значит, мы можем посчитать плотность субстрата. А, зная, суточный вес субстрата, мы можем посчитать суточный объем субстрата.
Обычно, плотность субстрата близка к плотности воды, и поэтому можно для приблизительных расчетов принимать плотность субстрата равной плотности воды. Но для расчета больших установок такая погрешность может иметь заметное финансовое выражение.
Например, плотность навоза КРС влажностью около 70% обычно составляет около 950 кг/м3. Плотность куриного помета влажностью около 75% составляет около 1100 кг/м3. Соответственно, плотность субстрата влажностью 90% из навоза КРС составляет 979, 38 кг/м3, а плотность субстрата влажностью 90% из куриного помета составляет 1045,63 кг/м3. Разброс небольшой, но иногда его стоит учитывать.
Теперь возьмем пример начального расчета для малой биогазовой установки. Допустим, у Вас ежесуточно образуется 100 кг навоза КРС. Его объем составляет примерно 105 л, что соответствует плотности 952 кг/м3. Для приготовления субстрата надо добавить воду в соотношении 3:2 по весу (это, как и плотность, определяется экспериментально, как описано выше). То есть, в сутки получится 250 кг субстрата. Суточный объем субстрата при этом получается 255 л.
Оптимальная длительность цикла брожения субстрата из навоза КРС в мезофильном режиме составляет 16 суток. Значит, с учетом 20% газового буфера, объем реактора составит 0,255*16/(100-20) *100= 5,1 м3. Реакторы малых биогазовых установок обычно выбирают из готовых емкостей стандартной линейке объемов. Поэтому понадобится бочка объемом 5 куб.м. для основного реактора. Емкость для подготовки сырья должна иметь объем с запасом перекрывающий потребность в сырье между промежутками добавления свежей порции. Обычно свежее сырье к малой биогазовой установке доставляют один раз в сутки. Поэтому для подготовительной емкости достаточно взять бочку или корыто объемом в 1,5 раза больше суточной дозы субстрата, то есть примерно 400 литров.
Обычно зольность навоза КРС, собираемого методом соскребания, составляет около 22%. Это значит,
