Поскольку только метан поставляет энергию из биогаза, целесообразно, для описания качества газа, выхода газа и количества газа все относить к метану, с его нормируемыми показателями. Объем газов зависит от температуры и давления. Высокие температуры приводят к растяжению газа и к уменьшаемому вместе с объемом уровню калорийности и наоборот. Кроме того при возрастании влажности калорийность газа также снижается. Чтобы выход газа можно было сравнить между собой, необходимо их соотносить с нормальным состоянием (температура 0°C, атмосферное давление 1,01325 bar, относительная влажность газа 0%). В целом данные о производстве газа выражают в литрах (л) или м3 метана на кг органического сухого вещества (оСВ), это намного точнее и красноречивее нежели данные в м3 биогаза в м3 свежего субстрата.
Если не указано ничего иного, то данные для расчетов указанные в этой книге приводятся именно в таком измерении. В прошлом не всегда обращали внимание на эту взаимосвязь, что привело к малой пригодности старых даных о производстве газа, в них попросту отсутствуют данные о температуре, атмосферном давлении, содержании метана, содержании сухого вещества и органического сухого вещества.
Даже в лабораторных условиях при исследовании одинаковых субстратов получаются разные результаты по производству газа. Причина этого кроется в разных методах, с помощью которых проводились такие измерения в лаборатории. Одни делали измерения для свежегосубстрата, другие для сухого, одни с силосованным материалом, другие с несилосованным, в резервуарах от 0,5 литров до 10 литров и т.д. В зависимости от рамочных условий результаты отличались между собой. На сегодняшний день актуален вопрос о приведении к нормам используемых методов измерения.
Разные методы и возможности для замеров и расчетов выхода газа подробно описаны в труде «Выход газа в сельскохозяйственных биогазовых установках».
Именно из-за большой разницы в методах измерения при определении характерных параметров, таких как выход газа, уже на стадии планирования важно проверить действительность числовых величин и следить за тем, чтобы в основу закладывались реалистические показатели, которые бы соответствовали необходимым рамочным условиям.
Качество биогаза определяется в первую очередь содержанием метана либо соотношением горючего метана (CH4) к «бесполезной» двуокиси углерода (C02). Двуокись углерода разбавляет биогаз и вызывает потери при его хранении. Поэтому важно стремиться к высокому содержанию метана и как можно низкому содержанию двуокиси углерода.
Достигаемое обычно содержание метана колеблется между 50 и 75%. Как правило содержание C02 измеряют с помощью прибора «Brigon» и после вычета небольшого количества остальных газов (2 - 8%) вычисляют содержание CH4.
Содержание метана в биогазе в первую очередь определяется следующими критериями:
• Ведение процесса: в то время как в одноступенчатых биогазовых установка весь процесс анаэробного разложения происходит в одном ферментаторе, одним этапом, и таким образом весь газ выделяется как смесь газов, в двуступенчатых установках, выработанный на 1.этапе газ, состоит в большой степени из двуокиси увлерода и других энергетически малоценных газов, выводящихся в окружающую среду. Вырабатываемый на втором этапе газ имеет высокий процент содержания метана, который может составлять и более 80%.
• Состав питательных веществ субстрата. Количество и качество произведенного биогаза зависит от количества внесенных веществ и их состава. Протеины и жиры имеют более высокое содержание метана. Для богатых на углеводы субстратов, как например кукуруза можно рассчитывать на содержание метана в среднем 53%.
• Температура субстрата: на практике оказалось, что при высокой температуре ферментатора выход метана более плохой, чем при низких температурах. Это происходит через различия в растворимости и образованием газовидной двуокиси углеводорода. Чем большее количество C02 перейдет в газовидную форму, тем меньшей будет процентная доля CH4 в биогазе.
После метана и двуокиси углерода, сероводород (H2S) является важнейшей составляющей газа. Сероводород очень агрессивен и вызывает коррозию, что в первую очередь вызывает проблемы с арматурой, газовыми счетчиками, горелками и двигателями. Поэтому необходимо очищать биогаз от серы. Очищенный от серы биогаз почти не имеет запаха.
Кроме того в биогазе содержатся следы аммиака, элементарного азота, водорода и кислорода общим содержанием от 6 до 8%. Сероводород и аммиак можно леко замерять с помощью трубки Дрегера. Такие трубки можно использовать многоразово.
Газ, только что поступивший из биогазовой установки насыщен водным паром. Возможно, что пар содержит также следы еще малоисследованых растворенных веществ, способных вызывать проблемы при сжигании биогаза в котлах и двигателях. Например на биогазовой установке в Рипперсхаузене непонятным образом образовывались пушистые хлопья, которые создавали в сжигательной камере котла толстые наслоения. Потребовалось длительное время, чтобы установить, что эта «белая сажа» является оксидом кремния, возникающим вследствие коферментации силиконосодержащих косметических мазей как результат сложных химических реакций (образование силанов). Сушка биогаза конденсацию является поэтому очень важным шагом по обогащению газа. С помощью конденсированной воды сепарируют также большое количество содержащегося в биогазе аммиака, вызывающего в противном случае большие повреждения двигателя, особенно на подшипниках из цветных металлов.
Субстраты
биогаз субстрат брожение химический
О пригодности субстрата для брожения нельзя судить лишь по одному выходу биогаза. Наоборот, необходимо принимать во внимание целый ряд дополнительных факторов.
Если например использовать биоотходы, то строительство и эксплуатация установки должны согласовываться с правилами работы с отходами. Это значит, что необходимо соблюдать особые условия, напр. Например, разделение на чистые и нечистые половины (поставка и вывоз). Такие особые правила имеют влияние не только на составление документации, но и на затраты и рентабельность установки, и должны быть поэтому своевременно хорошо продуманы.
Похожие правила действуют для субстратов как то сепарированный жир или отходы продуктов питания. Они хоть и дают большой выход метана, но вызывают частично очень высокие требования связанные с разрешениями от государства и техническими потерями, поскольку все они попадают по классификации под требования к побочным продуктам (ЕС Nr. 1774/2002).
Субстраты с высоким содержанием воды, к каковым относятся барда достаточно неэффективно занимают ферментаторы, требуют места для хранения и приносят по сравнению с количеством вносимого материала небольшое количество газа.
Субстраты с большой плотностью энергосодержащих веществ, тоесть с большим содержанием сухого вещества (напр. (остатки зерна) являются наиболее эффективными как с точки зрения хранения, так и занемаемого места в ферментаторе, но быстро вызывают биологические нарушения в процессе и поэтому не могут быть использованы в больших количествах.
Быстроразлагаемые субстраты - сахарная свекла, отходы продуктов питания и др., приводят к стремительному переокислению ферментатора, поэтому мало подходят для брожения в чистом виде. Поэтому стоит их использовать в смеси с другими субстратами.
Необходимо также учесть их способность к хранению, консервированию и затраты на хранение и подачу таких субстратов. Например свеклу длительное время можно хранить в подкисленном состоянии, если хотите сохранить ее высокое качество. Такие требования в свою очередь тоже требуют больших капиталовложений в технические средства. Хранение силосной кукурузы наоборот с технической точки зрения очень простое, но требует больших площадей.
Также следует следить за чистотой субстратов. Кормовая и сахарная свекла заносят в ферментатор прикрепившиеся к ним землю и камни, так что для них необходимо предусматривать очистку от выпадающих осадков.
В субстратах, происходящих от агропромышленности и сопутствующих перерабатывающих предприятий, могут содержаться вредные вещества. При использовании таких материалов необходимо проводить соответствующие (регулярные) исследования с целью обеспечения надежности процесса.
Для возобновляемого сыръя, кроме выхода газа, важную роль играет также экономически оправданное его выращивание; это включяет в себя факторы как производимость посевных площадей под культуры, урожайность и содержание питательных веществ, уровень производительности, затраты на подготовку (урожай и его транспортировка), а также цена аренды посевных площадей.
Длительная доступность субстратов требует планирования. Если будут использоваться косубстраты, то гарантией их поставок должны яляться как можно более длительные контракты на поставки. Установки, слишком зависящие от арендованных земель, более подвержены риску, нежели установки, работающие преимущественно на сыръе со своих полей. По этой причине необходимо заключать как можно более долгосрочные контракты аренды.
Не в последнюю очередь бонусная система Закона ЕС о возобновляемых источниках энергии, влияет на выбор субстратов. Все субстраты, которые специально не производятся для биогазовых установок, теряют бонус для возобновляемых источников энергии в размере 6 центов/кВт/час. Если провести оценку допущенных к использованию в сельскохозяйственных биоазовых установках субстратов, то выгодные с экономической, правовой и биологической точки зрения, то наиболее подходящими окажутся группы промышленно производимых удобрений и возобновляемых энергоресурсов.
Резюмируя, при выборе субстрата необходимо учитывать такие аспекты:
• Влияние на получение разрешения и законодательные требования к строительству и эксплуатации
• Влияние на технику и эксплуатационные затраты
• Хранение и консервирование
• Производительность площадей, затраты на производство и хранение
• Загрузка пространства бродильной камеры и эффективность
• Биологические факторы, влияющие на процесс
• Плата за произведенную электроэнергию
• Доступность субстрата
Использование биогаза
В первую очередь необходимо стремиться использовать содержащуюся в биогазе энергию настолько эффективно, насколько это возможно, а особенно его способность производить высокие температуры и энергию. Для превращения в тепло с низкой температурой, применять биогаз неэффективно, поскольку его можно получать и от коллектора солнечных батарей или от тепла работы двигателя.
Сжигание
Использование исключительно с целью термоэффекта при помощи горелки Бунзена или паяльной горелки, то есть, наприрмер, приготовление пищи на биогазе или применение для инфракрасного излучателя в отделении для выращивания молодняка сельскохозяйственных животных в нашей стране едва практикуется - несмотря на полное сгорание с небольшим выбросом вредных веществ. Приготовление пищи на биогазе получило распространение преимущественно в развивающихся странах (Китай, Индия, Непал и т.д.), в первую очередь из-за возрастающего сокращения горючей древесины. При использовании для инфракрасных излучателей колебания в качестве газа приводили к постоянным угасаниям пламени и к техническим проблемам по причине коррозии вызванной сероводородом.
Отопление биогазом
При отоплении биогазом различают отопительные котлы с атмосферными горелками небольшой мощности от 10 до 30 кВт, а также паяльные горелки для большей мощности. Отопительные котлы рассчитаны на работу одного накопителя, дающего тепло для дома, ферментатора, промышленного водоснабжения и по возможности для сушки соломы и зерна. Дешевой альтернативой котлу является перколятор (газовая колонка), работающий на одной атмосферной горелке и применяемый в первую очередь для обогрева промышленного водоснабжения. Производительность пребывает в пределах 5-30 кВт. Для всех обогревательных устройств обязательно устанавливать предохранители (предохранитель от возгорания, контроля пламени), которые бы предотвращали вытекание несожженного биогаза.
Для применяемых сегодня преимущественно пленочных газгольдеров небольшого давления хоть и достаточно для работы самовсасывающих двигателей, но его недостаточно для котлов и перколяторов. В таких случаях требуется с регулятором давления. Для этого преимущественно используют кольцевые компрессоры с боковым каналом, которые работают тихо и с малым зносом. Будь то насос с боковым каналом, центрифужный, ротационно-поршневой, винтовой или жидкостно-кольцевой, их применение будет зависеть от количества газа и его качества, а также от необходимой разницы в давлении. Согласно техническим нормам для защиты от взрывов, компрессоры для уплотнения газа должны либо газонепроницаемы или находиться в