Ещё раз про биогаз

У читателей прежде всего возникает вопрос о согласовании имеющихся потребностей с размерами установки. Так многие и пишут: размер дома, скажем, 5X6 м (или объем, например, 150 м³), семья - 4 человека, надо обогреваться и кухню обеспечить; каких размеров требуется установка?

Имеющийся опыт свидетельствует, что в среднем на отопление дома площадью 40-50 м² и четырехконфорочную плиту необходимо в час 3,0-3,5 м³ биогаза. При оборудовании местной системы обогрева можно использовать широко применяемый автоматический отопительный газовый водонагреватель АОГВ-11, 3-3-У.

Важный фактор, определяющий интенсивность газообразования, - температура процесса. Не следует забывать, что в статье «Биогаз: и греет, и варит» описан опыт, относящийся к стране с достаточно мягким климатом. Видимо, для более суровых климатических условий подогрев нужнее, возможно, даже и в установившемся процессе. А если подогрев предусматривать, то представляется целесообразным использовать его как эффективный регулирующий фактор, за счет которого можно увеличить газообразование в несколько раз. (Об еще одном управляющем факторе - перемешивании - скажем далее.)

Теперь, учитывая совместное влияние названных факторов на мощность установки, можно дать некоторые рекомендации.

При выборе размеров ферментатора можно ориентироваться на варианты, приведенные в прошлой публикации; с учетом более сурового климата стоит добавить в установку нагревательный элемент, например, в виде змеевиков. Пробная эксплуатация сразу позволит выявить влияние нагрева на производительность устройства. Для систематизации доводочных работ рекомендуется завести тетрадь (не полагаясь на память) и записывать все изменения - как вводимые, так и получаемые. Практика показывает, что каждые 10° дополнительного нагрева биомассы удваивают выход газа с 1 м³ ферментатора.

Вот некоторые данные для тех, кто собирается заняться проектированием установки. Из 1 т сырья получается 80-100 м² газа. Его теплотворная способность примерно 5500-6000 ккал/м³. Для сравнения: бытовой газ не намного калорийнее - всего 7000 ккал/м ³.

Теперь о биологии процесса. Метанопроизводящие бактерии имеются в самом сырье. Культуры их развиваются в ферментаторе до трех недель, пока масса не начнет выделять газ. При использовании готовой «закваски» из предыдущей порции из уже работающего ферментатора срок начала выработки газа сокращается примерно до недели.

Метанопроизводящие бактерии разделяются на три группы. Психрофильные эффективно работают в диапазоне +5...+20°. При дальнейшем повышении температуры развиваются мезофильные бактерии, их рабочий диапазон +30...+42°. А при еще более высокой температуре проявляется действие уже термофильных бактерий, которые работают в очень узком диапазоне: +54...+56°.

Большое число вопросов относится к конструкции установки, в первую очередь - созданию возможности периодической дозаправки сырья и перемешивания биомассы без разгерметизации колокола. Прежде всего нужно сказать, что беспрерывную выработку газа можно получить путем дублирования установок. С двумя ферментаторами при поочередной их перезаправке удается обойтись без усложнения конструкции.

Поэтому будущему создателю установки для производства биогаза следует сравнить, применительно к своим возможностям, три схемы: простейшая с периодической перезаправкой; спаренные простейшие, с поочередной перезаправкой; со специальным устройством, обеспечивающим непрерывную подачу газа.

Выбирая третью схему, надо иметь в виду, что для работы ферментатора требуется не только дозаправка сырьем, но и удаление отходов.

В последней схеме дозаправка сырья и удаление отходов не равнозначны по периодичности. Так, удаление отходов можно совмещать с остановкой процесса на чистку и ревизию системы. Что же касается дозаправки, то она делается чаще и осуществляется проще: ежедневно снизу убирается 1/10 объема и сверху добавляется столько же свежего биосырья.

Один из возможных путей дозаправки ферментатора без потери газа основан на так называемом принципе сообщающихся сосудов. Для этого рядом с ямой ферментатора устраивается небольшая заправочная емкость, соединенная с ней трубопроводом, расположенным ниже уровня жидкости (рис. 1). Трубопровод делается из куска керамической канализационной или асбоцементной трубы, которая вмуровывается в стенки емкостей. Такая система сама по себе является жидкостным затвором газа. Повысить эффективность подачи концентрата можно с помощью вставной воронки-бункера (рис. 1a). Проталкивать гущу через трубопровод можно и простейшим сетчатым поршнем. Одновременно он используется и в качестве заслонки, препятствующей самоперемешиванию биомассы между обеими емкостями.

Много вопросов вызывает необходимость периодического перемешивания биомассы. Как выполнять эту операцию без разгерметизации? Не все знают о возможности ее самоперемешивания. Вспомним эффект конвекции: его можно наблюдать в комнате, когда какая-нибудь пушинка оказывается над батареей отопления, плывет вверх, опускается у противоположной стены и снова увлекается воздушным потоком к батарее. Этот эффект тепловой циркуляции среды нетрудно получить и в ферментаторе, если разместить в нижней его части подогревательные трубы (змеевик), сместив их к одному краю; конвекция обеспечит самоперемешивание. В начавшемся процессе газообразования к этому добавится эффект подъема газовых пузырьков в зоне, находящейся над подогревателем.

Несложно сделать и механический перемешиватель биомассы. Особенно целесообразен он в местности с мягким климатом, где отпадает необходимость в использовании подогрева. Как показывает практика, лучше это предусмотреть заранее. Ведь если система сама выйдет на подогрев, то зачем тогда, спрашивается, тратить энергию на перевешивание. Кроме того, вовсе не обязательно перемешивать массу непрерывно. Можно делать это периодически, например, утром и вечером. Стоит даже превратить эту операцию в дополнительную, регулировочную. Для этого достаточно следить за положением колокола: как только он опустится к нижнему уровню (малый запас газа), надо перемешать биомассу - и выделение газа тотчас же увеличится.

Простейшую мешалку несложно изготовить в виде крыльчатки с приводом гибкими связями через тот же сифонный трубопровод (рис. 3). При этом нет необходимости в непрерывном вращении в одну сторону. Если мешалка имеет радиальные лопасти, достаточно качательных движений. Можно ограничиться и одной лопастью (рис. 2). Вообще здесь простор для собственных решений. В качестве тяг лучше использовать негниющие материалы, например, изолированный электропровод или капроновый (хлоридный) шнур, продающийся в хозяйственных магазинах как бельевой.

Существует и проблема устойчивости колокола. Читатели, внимательно изучившие материал «Биогаз: и греет, и варит», уже подметили, что если схемы, изображенные на рисунке 1, осуществить, не дорабатывая конструкцию, то колокол может потерять равновесие сразу, как всплывет: либо опрокинется, либо заклинит. На рисунке 3 в той же публикации не случайно предусмотрена направляющая труба для колокола, но подобная установка сложнее для домашнего изготовления.

На рисунке мы показываем схему уравновешивания колокола с двумя блоками (рис. 4а) и противовесом и вариант «журавль» (рис. 4б). Погрешность, получающаяся за счет нестрого вертикального перемещения точки подвески колокола на «журавле» (по дуге окружности), пренебрежима в связи со значительным превышением плеча рычага над ходом коромысла.

Такая система уравновешивания колокола выгодна еще и тем, что ее можно использовать в качестве подъемного устройства при ревизии и очистке ферментатора. Учитывая это, нетрудно дополнить конструкцию некоторыми вспомогательными элементами: блоки лучше расположить на повторной стреле (ведь только приподнять колокол, чтобы работать под ним, категорически не разрешается - «НЕ СТОЙ ПОД ГРУЗОМ!»). Стоит сделать поворотной и опору коромысла «журавля», а противовес наборным, как на складских весах. Но если в вашей местности морозов не бывает, предусмотрите противовес в виде емкости, заполненной водой.

Самое же серьезное затруднение, стоящее на пути самодельщика, - изготовление колокола. Оцинкованное кровельное железо позволяет придать ему нужную форму простыми средствами, к тому же он будет нетяжелым. Но недолговечность такого материала при быстрой коррозии в условиях агрессивной среды заставляет искать другие варианты. Поэтому мы настоятельно советуем присмотреться к доступному металлолому. Старые емкости, например, от нефтепродуктов, будучи обрезанными, могут оказаться очень подходящим полуфабрикатом, как по форме (обычно с приварными сферическими днищами), так и по толщине листового материала: от 2 до 5 мм.

Видимо, ходовыми размерами колокола будут Ø2-3 м и такая же высота. Если «бочка» окажется меньше, стоит подумать, делать ли большой колокол или взять два поменьше (например, Ø1,5 м), заодно вернувшись к варианту спаренных простейших установок.

У некоторых читателей возник вопрос об определении давления газа. Видимо, они не обратили внимания на очевидное: как только колокол всплывет - сила давления газа достигла величины массы колокола. Поясним это на примере. При диаметре юбки колокола 2 м площадь ее сечения составит S = πR² = 3,14X1=3,14 м² = 31 400 см². При толщине стенки колокола 5 мм и высоте 2 м вес его составит около 500 кг. Допустим, что фактический вес колокола равен 470 кг. Тогда колокол всплывет при давлении газа 0,15 атм. (В системе СИ масса М = 470 кг, сила веса G = = 4700 Н, давление газа р = 4700:31 400=0,15 Н/см² = 0,15 атм).

По мере подъема колокола давление почти не изменится, его повышение будет происходить только за счет вытеснения объема жидкости, равного всплывшей части стенок колокола.

Отмечая невысокое давление газа, видим, что его (в случае необходимости) можно повысить простым способом: установить на колоколе дополнительный груз, расположив его пониже, для лучшего равновесия колокола.

Несколько любопытных примеров для сравнения. Давление газа в городской сети находится в пределах 200-300 мм вод. ст., а допускаемое - до 600 мм вод. ст. В нашей же системе это давление должно быть также предельным. Естественно, возникает вопрос: разве личное подворье способно дать биосырья в достаточном количестве? Конечно же, нет. Наши рекомендации относятся в первую очередь к кооперативным животноводческим хозяйствам, получающим с каждым днем все большее развитие. Кроме того, резервы, и немалые кроются в колхозах и совхозах: иногда возле животноводческих ферм скапливается значительное количество навоза, который никак не используется. Местные жители могли бы его утилизировать, а затем уже вывозить на поля. Ведь отработанное сырье из ферментатора практически не теряет свою ценность как удобрение. Налицо двойная экономическая выгода.

В заключение вновь обращаемся к читателям с просьбой делиться своим опытом в конструировании и эксплуатации биогазозых установок.

По материалам журнала «Техниум», СРР
Статья из журнала Моделист-конструктор №1 1987г.