Газопоршневые двигатели чувствительны к примесям, содержащимся в биогаза. Остатки таких агрессивных газов, как аммиак или сероводород, вызывают коррозию металлических поверхностей цилиндра и поршня, выхлопных труб, окисляют масло, циркулирующее в системе смазки, из-за чего оно теряет свои смазывающие свойства. От содержания углекислого газа в биогазе зависят детонационные свойства горючей смеси воздуха с биогазом (для бензинов характеризуется октановым числом), соответственно, усложняется система регулировки угла опережения зажигания, нарушается оптимальное соотношение степени сжатия и объема камеры сгорания и т.д. И, хотя режим работы на газообразном топливе является более щадящим для поршневых двигателей внутреннего сгорания, чем режим работы на жидком топливе, вышеописанные факторы заметно ограничивают моторесурс газопоршневых генераторов, работающих на биогазе. Для промышленных устройств моторесурс обычно не превышает 5 лет непрерывной работы, предусматривающей лишь остановки для проведения ТО и регламентных работ (замена масла, свечей, прокладок и т.п.). Маломощные генераторы имеют моторесурс не более 1 года, и обычно не рассчитаны на непрерывную работу.
Газотурбинные генераторы выпускаются только большой мощности. Преимуществом их является нечувствительность к примесям в биогазе, минимальная потребность в ТО.
Из одного кубометра биогаза можно получить 1,8-2,3 кВт*ч электроэнергии, в зависимости от содержания метана в биогазе и типа примененного генератора.
5.4. Биогумус.
В процессе работы биогазовой установки выделяется не только биогаз. Точнее сказать, не все поступающее в реактор биогазовой установки сырье превращается в биогаз. Во-первых, разложению подвергается только органическое сухое вещество. Такие составляющие субстрата, как вода и неорганические включения (песок, зола и пр.) выходят из реактора в неизменном виде. В биогаз, воду и минеральные соли превращается обычно 40-60% органического вещества. Глубина разложения редко превышает 80%. Соотношение органического сухого вещества к общей массе субстрата обычно составляет не более 10%, поэтому при добавлении свежего субстрата в реактор биогазовой установки из него выливается почти столько же шлама (переброженного субстрата), сколько залилось субстрата. Этот шлам (метановый эффлюент, метановая бражка) представляет собой прекрасное удобрение чисто органического происхождения. В процессе брожения субстрата в реакторе все потенциально вредные для окружающей среды факторы, присутствующие в исходном сырье, исчезают.
Неприятный запах в навозах и подобном сырье обуславливается ароматическими углеводородами и аммиаком. В процессе брожения ароматические углеводороды разлагаются, азот из аммонийной формы частично переходит в нитратную форму, уменьшая концентрацию аммиака. Поэтому шлам обычно имеет слабый запах печеного хлеба.
Зерна растений в процессе брожения обычно частично или полностью разлагаются, как минимум – разлагается их оболочка, поэтому они теряют всхожесть. То есть, шлам биогазовой установки уже не может быть источником сорняков после внесения в почву.
Яйца гельминтов (глистов) тоже разлагаются в процессе брожения в реакторе. Поэтому выходной шлам обеззаражен.
Практически все вредные для живых существ на Земле бактерии – аэробные. Для их размножения и существования нужен кислород. Внутри реактора созданы анаэробные условия. Поэтому все другие бактерии гибнут и служат пищей для анаэробных бактерий.
Попросту говоря, те бактерии, которые участвуют в процессе анаэробного брожения внутри реактора биогазовой установки, «съедают» любую органику, которая попадает в реактор, или хотя бы «надкусывают». Поэтому и разлагаются все живые организмы, изначально присутствующие в субстрате, а в шлам попадают только те бактерии, которые участвуют в процессе анаэробного брожения. Бактерии эти не представляют вреда для птиц и животных в обычных природных условиях, потому что обычно они живут с ними в симбиозе, находясь в кишечном тракте этих птиц и животных.
Итак, выходной шлам биогазовой установки состоит из воды, неорганических нерастворимых веществ, неорганических растворимых солей, среди которых преобладают соли, содержащие азот, фосфор и калий, частично разложенных органических соединений, среди которых есть такие полезные вещества, как гуминовые кислоты, фульвокислоты, различные витамины, и бактерий, которые обеспечивали процесс анаэробного брожения. Все эти составляющие, за исключением нерастворимых неорганических веществ, при внесении в почву обеспечивают питание для растений, ускоряют их рост, улучшают их сопротивляемость болезням. Факторов положительного воздействия таких органических удобрений, каким является шлам биогазовой установки, на рост растений так много, что их трудно описать полностью, а воздействие оказывается в комплексе. Каждый отдельный фактор не дал бы должного эффекта без других.
Растворимые неорганические соли – это фактически те же минеральные удобрения, только полученные природным органическим путем, а не синтезированные искусственно. Но эти соли физически связаны остатками органических веществ, имеющих коллоидную структуру (кисель), поэтому они не вымываются из почвы первым же дождем.
Гуминовые и фульвокислоты в сочетании с остатками органических веществ превращают (дают право называть) почву, в которую они внесены, гумусом.
Витамины действуют на рост растений, как биологически активные добавки, то есть, растения существенно быстрее и полнее усваивают минеральные растворимые соли, содержащие азот, фосфор, калий и другие, нужные для роста растений элементы.
Бактерии, участвовавшие в процессе анаэробного брожения внутри реактора биогазовой установки, будучи внесенными в почву, продолжают работать, хотя и менее интенсивно, чем в реакторе. В глубине почвы для них обеспечиваются более-менее анаэробные условия. Это бактерии, во-первых, продолжают разлагать другие болезнетворные бактерии, а во-вторых, разлагают имеющуюся в почве органику, вырабатывая питательные минеральные соли для растений. Этот процесс называют азотфиксацией. Это означает, что бактерии захватывают атомы азота (и не только) из окружающей среды, где они находились в виде, непригодном для усвоения растениями, и вставляют в минеральные соединения солей азота (и другие минеральные соли). То есть, внося эти бактерии в почву, мы вносим «кормильцев», которые преобразуют несъедобные для растений элементы почвы и воздуха в съедобные, тем самым регулярно питая растения.
Из-за таких свойств оздоровления, создания и поддержания почвенного слоя шлам биогазовой установки часто называют биогумусом. Особенно часто это название применяют для отсепарированного шлама, то есть отжатого до влажности 75%. Такой отжатый шлам по внешнему виду уже сам по себе напоминает слой плодородной почвы.
Нормативы внесения шлама в почву (удельное количество на единицу посевной площади) существенно меньше, чем исходного сырья (если исходное сырье вообще могло быть применено в качестве биоудобрения). Если выразить нормативы внесения шлама в количествах азота, фосфора и калия, то они также будут ниже, чем подобные нормативы для внесения искусственно синтезированных минеральных удобрений.
Первый тезис объясняется тем, что в процессе анаэробного брожения не происходит потерь азота из исходного сырья, а азот является основным строительным материалом для клеток. Органическое сырье, переработанное аэробным способом (практически все остальные способы, кроме брожения в биогазовой установке), обязательно потеряет азот в виде испарений аммиака, поэтому его всегда понадобится больше.
Второй тезис объясняется тем, что минеральные соли в шламе связаны в коллоид остатками органики, они не вымываются сильно из почвы и поэтому более полно усваиваются растениями. Растения ведь не мгновенно поглощают питательные вещества, а лишь по мере своего роста. Кроме того, при избыточной концентрации питательных солей в почве, растения «втягивают» их внутрь себя вместе с влагой, но не успевают преобразовать их в органику (части своих растущих клеток), и эти соли находятся в растворенном виде в воде внутри растений (а растения состоят из воды в среднем на 70%). Отсюда и получаются продукты земледелия с повышенным содержанием нитратов, которыми можно отравиться при употреблении в пищу. Поэтому минеральные удобрения всегда дозируют с разумным избытком (увы, не всегда). Подача питательных минеральных солей из шлама дозируется автоматически, что обусловлено коллоидными свойствами шлама, а также постепенной выработкой таких солей бактериями, внесенными в почву из шлама.
Методы внесения шлама в почву бывают различные, в зависимости от его влажности и типа выращиваемой культуры. Если шлам берется в исходном виде так, как он вышел из реактора биогазовой установки, то его обычно разбавляют водой с пропорции 1:10 – 1:50, а затем вносят методом полива. Первый полив удобно делать перед вспахиванием. Второй полив делается в период начала кущения. В этом случае поливать нужно как можно ближе к почве, прямо между стеблями растений. В случае разделения шлама сепаратором на жидкую и твердую фракции, жидкую фракцию вносят точно так же, разбавляя водой. Разбавление водой делается потому, что это удобрение - концентрированное. Чтобы обеспечить равномерное распределение его по всей посевной площади, не слишком уменьшая форсунки поливалок, и производится разбавление водой.
Твердая фракция, или биогумус, вносится методом разбрасывания, точно так же, как вносится перепревший навоз.
На фракции шлам разделяют по соображениям логистики. Если биогумус предназначен на продажу, то обычно покупатели могут находиться на весьма дальних расстояниях от биогазовой установки. Возить воду на такие расстояния – слишком дорого. Поэтому ее отжимают, иногда даже подсушивают полученный биогумус до влажности 40-60%, пакуют в мешки и везут к покупателю, магазину или удаленному месту применения.
Поэлементный химический состав биогумуса почти полностью соответствует такому же составу исходного сырья, за исключением удаленных с биогазом водорода, углерода и кислорода. Поэтому питательные свойства конкретного биогумуса зависят от типа сырья, которое закладывалось в биогазовую установку. Практика показывает, что самыми замечательными свойствами обладает биогумус из птичьего помета, типа куриного. Исходный помет птиц содержит повышенное удельное количество азота. Из-за этого чистый помет с трудом поддается анаэробному брожению в биогазовой установке, так как субстрат отравляется большим количеством аммиака. Только недавно в России разработан и запатентован техпроцесс переработки чистого куриного помета (обращайтесь к нам по вопросу применения такого техпроцесса и строительства установки на таком техпроцессе). Биогумус, полученный из такого сырья, показывает самые замечательные питательные и почвоформирующие свойства.
На приведенной ниже фотографии показаны контрольные посевы с использованием биогумуса различной концентрации, жидкой фракции и без их использования. Обратите внимание на разницу в весе контрольных образцов.
6. Хранение продуктов, произведенных биогазовой установкой.
Вопросы по возможностям и методам хранения продуктов, производящихся биогазовой установкой, возникают практически у каждого потенциального заказчика такой установки. Первый вопрос – возможность накопления и длительного хранения биогаза. Вопрос этот вызван сезонностью потребления тепловой энергии в наших широтах. Ответ на этот вопрос однозначный: биогаз в исходном виде хранить в значительных объемах невозможно из-за дороговизны такого решения. Проблема состоит в том, что биогаз невозможно сжать до значительного давления без предварительной очистки до биометана. Углекислый газ, содержащийся в биогазе, не дает возможности сжать его до 200 атм. А при сжатии всего лишь до нескольких атмосфер объем, занимаемый биогазом, уменьшается незначительно. Очистка биогаза от углекислого газа – очень непростой процесс. Химические методы очистки неприемлемы из-за потребности в большом количестве реагентов и большом выходе отходов реакции. А метод растворения углекислого газа в воде, применяемый промышленно, требует достаточно сложного и дорогого оборудования. Такое оборудование выпускается серийно, но для больших суточных объемов. Поэтому очистка биогаза и сжатие биометана – процедура, доступная только владельцам крупных биогазовых установок. Но и в этом случае биометан обычно не хранят длительное время, а регулярно используют для заправки автомобильного транспорта, либо отправляют в общую газовую сеть. Общая газовая сеть в данном случае и служит накопителем, куда можно загонять газ летом и отбирать зимой. И это получается экономически более эффективно, чем строить собственные газовые хранилища.
Производные от сжигания биогаза – тепловая и электрическая энергия. Тепловую энергию вообще невозможно накопить и хранить длительное время, поэтому этот вопрос можно вообще не рассматривать.
Электрическую энергию накапливать можно в аккумуляторах. Но если мы вспомним структуру ценообразования современных устройств альтернативной энергетики, то увидим, что аккумуляторы там – одна из самых дорогих частей. А большие биогазовые установки способны производить действительно большие количества электроэнергии. Для них применение аккумуляторов невозможно. Для малых биогазовых установок аккумуляторы могут буферизовать энергию лишь на несколько суток. Обычно электроэнергия, вырабатываемая из биогаза, произведенного биогазовой установкой, превышает потребности самой установки в электроэнергии в 3-10 раз. Если рядом нет другого объекта для применения выработанной электроэнергии, то имеет смысл продавать ее в общие электросети. В этом случае эти сети и будут аккумулятором для хранения энергии. Продажа такая возможна не всегда, не всюду, и зависит от законодательства страны и других бюрократических факторов. Очень часто электроэнергия выкупается государством по «зеленым» тарифам, которые завышены по сравнению с обычными коммерческими тарифами. В этом случае продажа электроэнергии становится основной статьей дохода для биогазовой установки.
Таким образом, мы убедились, что энергетические продукты биогазовой установки хранить длительное время самостоятельно невозможно и невыгодно, но можно использовать общественные (государственные) средства для хранения таких видов энергии.
Другой вопрос с вырабатываемым шламом. Его хранение намного проще. Условия для его хранения достаточно простые, и зависят, в первую очередь, от экологического законодательства. Фактически, шлам биогазовой установки не представляет вреда для окружающей среды, но юридически обычно контакты шлама и почвы ограничены в определенных рамках. То есть, в некоторых странах строго регламентируется количество минеральных питательных солей, которые можно вносить в землю за один сезон. По этим же критериям приходится пересчитывать максимальное количество вносимого биогумуса. И по этой же причине нельзя складировать шлам таким образом, чтобы он свободно просачивался в почву. То есть, для хранения шлама нужны непроницаемые лагуны, не допускающий проникновения шлама в почву.
Обычно на больших биогазовых установках шлам сепарируют. Жидкую фракцию направляют на вход установки для повышения влажности сырья и приготовления субстрата. А твердую фракцию складируют. В данном случае достаточно использовать проветриваемое помещение с бетонированным полом и защитой от осадков. Бетонированный пол защищает от проникновения биогумуса в почву под складом, защита от осадков (крыша) не допускает размывания биогумуса осадками. Проветриваться помещение должно потому, что биогумус этот продолжает «работать» и выделять в небольших количествах биогаз. По этой же причине биогумус нельзя паковать в герметичные мешки.
В выходном шламе примерно половина азота находится в минерализованном состоянии, а еще половина – в органическом. Органические соединения с азотом, распадаясь на воздухе, выделяют аммиак, вместе с которым азот улетучивается в атмосферу. Поэтому хранящийся на воздухе биогумус после длительного хранения может потерять до половины содержащегося в нем азота. Это понижает питательные свойства биогумуса, но даже при этом он остается намного более эффективным, чем биогумус, полученный аэробными способами. Например, перепревший на воздухе навоз теряет более 90% всего содержавшегося в нем азота, и поэтому изначально в 10 и более раз менее эффективен, чем анаэробный биогумус. С учетом других полезных факторов анаэробного биогумуса, способностей к азотфиксации, его эффективность превышает эффективность перепревшего навоза до 100 раз.
Иногда нет возможности или желания сепарировать шлам. Иногда применяющийся техпроцесс не допускает направление фильтрата на вход установки. В этом случае надо хранить жидкий шлам или фильтрат в лагуне. Объем такой лагуны получается значительным. Применение при открытом земледелии этих продуктов – сезонно, всего два раза за период вегетации. Поэтому сроки хранения превышают полгода. 120 суточных порций шлама примерно равны 120 суточным порциям субстрата. Объем реактора биогазовой установки обычно вмещает от 16 суточных порций субстрата плюс 20% газового буфера, то есть 20 суточных порций субстрата. Значит размер лагуны для хранения шлама должен в шесть (120/20) и более раз превышать объем реактора(ов) биогазовой установки в случае, если шлам не сепарируется и не отправляется ежедневно в магазины или потребителям.
Для фильтрата этот объем будет меньше и составит более 4 объемов реактора(ов) биогазовой установки.
Строить такие большие лагуны не всегда есть возможность, поэтому обычно стараются организовать регулярный сбыт жидкого шлама или фильтрата. Его можно разливать в мелкую тару и отправлять в сети магазинов, торгующих удобрениями для садоводов, теплиц и т.п. Также иногда применяют очистку фильтрата до допустимых норм и отправляют в канализацию. Но этот метод экономически расточителен, так как фильтрат тоже является ценнейшим удобрением.
7. С чего начинать.
Начинать надо с размышлений. О биогазовых установках Вы можете прочитать в СМИ, в сети 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.