Многочисленные исследования показывают, что существует несколько методик расчёта для установок метанового сбраживания отходов различного производства. Расчёту БГУ должен предшествовать выбор технологии и конструктивного выполнения, то есть нужно определить и обосновать:
‒ температуру брожения (мезофильный или термофилъний процесс);
‒ продолжительность брожения;
‒ режим заполнения метантенка;
‒ систему теплоснабжения метантенка;
‒ систему сбора биогаза;
‒ технологию загрузки биомассы и разгрузки шлама.
Например, если выбран мезофильный процесс брожения, то это определяет необходимость удерживать температуру около +32 °С. Продолжительность процесса – 15 суток. Загрузка навоза беспрерывная с ежедневной заменой 1/15 биомассы метантенка. Метантенк может быть изготовлен из бетона. Форма метантенка - цилиндр, покрытый сверху и снизу срезанными конусами. С целью минимизации теплопотерь от метантенка в окружающую среду его теплоизолируют: слоем шлакобетона (0,3 м), шлаковой засыпкой (0,5 м), земляным валом (1 м). Температура в метантенке поддерживается водяным теплообменником. Перемешивание биомассы в метантенке - механическое с электроприводом. Суточный выход биомассы для сбраживания в метантенке определяется по формуле:
(5.1)
где 
‒ количество животных данной возрастной и видовой группы, которые содержаться на ферме; 
‒ суточный выход навоза от одного животного; n ‒ количество групп животных.
В зависимости от условий содержания животных к их навозу прибавляется определённое количество примесей: вода, остатки корма, подстилка и пр. Анализ состава навоза животноводческих ферм показал, что в нем содержится до 20-95 % технической воды; подстилки – 12-18 %; остатков корма 8-12 %, грунта и прочих примесей до 18 %, Остатки корма и подстилки влияют на суммарное содержание сухого органического вещества в биомассе, а количество воды определяет её влажность. Для приближенных расчётов можно использовать поправочные коэффициенты, а содержимое сухих веществ и влажность определяют по табл. 5.1; 5.2; 5.3.
|
|
Таблица 5.1 – Суточное количество экспериментов крупного рогатого скота и свиней
| Вид животных | Суточное количество экспериментов от одного животного, кг |
| Быки племенные | |
| Корова дойная | 35-55 |
| Телята до 6 мес. | 7,5-15 |
| Телята на откорме (6-12 мес.) | 14-26 |
| Нетели (12-18 мес.) | |
| Хряки | 9,2-11,1 |
| Свиноматки холостые | 8,6-8,8 |
| Свиноматки подсосные | 12,5-15,3 |
| Свиньи на откорме до 30 кг. | 1,8-2,4 |
| Свиньи на откорме больше 80 кг. | 6,2-6,6 |
Таблица 5.2 – Суточный выход помёта 1 гол. взрослых птиц, г
| Куры | Индюки | Утки | Гуси | |
| Яичного направления | Мясного направления | |||
| 170-200 | 270-310 |
Таблица 5.3 – Состав побочных продуктов в процентах к сухому веществу, %
| Компонент | Компонент | |||||
| Солома | Ботва | |||||
| ячменя | пшеницы | ржи | кукуруза | свеклы | картофеля | |
| Органическая масса | 93,8 | 94,4 | 95,4 | 91,7 | 98,5 | 78,9 |
| Азот | 0,6 | 0,5 | 0,5 | 1,2 | 2,0 | 2,3 |
Продолжение таблицы 5.3
| Фосфор | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,2 |
| Калий | 1,4 | 0,8 | 0,9 | 2,3 | 3,6 | 1,7 |
| Кальций | 0,3 | 0,1 | 0,2 | 0,8 | 1,4 | 2,6 |
| Клетчатка сырая | 43,5 | 45,5 | 47,5 | 33,3 | 11,5 | 23,8 |
| Лигнин | 15-20 | 15-20 | 15-20 | 5,5 | - | - |
| С/N | 90-165 | 80-150 | 30-65 |
Таблица 5.4 – Состав экскрементов животных в процентах к сухому веществу
| Компонент | Вид животных | |||
| КРС на откорме | Дойные коровы | Свиньи | Куры | |
| Органическая масса | 77-85 | 77-85 | 77-85 | 76-77 |
| Азот | 2,3-4,0 | 1,9-6,5 | 4,0-10,3 | 2,3-5,7 |
| Фосфор | 0,4-1,1 | 0,2-0,7 | 1,9-2,5 | 1,0-2,7 |
| Калий | 1,0-2,0 | 2,3-2,4 | 1,4-3,1 | 1,0-2,9 |
| Кальций | 0,6-1,4 | 2,3-4,9 | - | 5,6-11,9 |
| Клетчатка (сырая) | 27,6-50,6 | 27,6-50,6 | 19,5-21,4 | 13,0-17,8 |
| Лигнин | 13-30 | 16-30 | - | 9,6-14,3 |
| С/N | 9-15 | 9-15 | 9-15 | 9-15 |
|
|
Суточный выход навоза с учётом содержимого прочих примесей (остатки корма, подстилка и пр.) определяется по формуле:
(5.2)
где 
‒ поправочный коэффициент (1,3-1,6), учитывающий подстилку и остатки корма.
Масса сухого вещества в навозе:
(5.3)
где 
‒ влажность навоза.
Масса сухого органического вещества:
(5.4)
‒ содержимое сухого органического вещества в навозе.
Выход биогаза при полном разложении (сбраживании):
(5.5)
где 
‒ содержание сухого органического вещества в экскрементах, %
Выход биогаза при неполной продолжительности сбраживания:
(5.6)
где 
‒ степень сбраживания субстрата, = 60-70 %.
Объём метантенка при полной загрузке:
(5.7)
где 
‒ число загрузки реактора за сутки; 
‒ плотность субстракта, кг/м3.
Плотность навозной массы можно принимать равной плотности воды, так как её влажность превышает 90 %. Отношение 
/ 
должно находиться в пределах 0,7-0,9.
Потери теплоты в метантенке определяются по формуле
(5.8)
где 
‒ потери теплоты на подогрев субстрата при температуре брожения; 
‒ потери энергии в окружающую среду; 
‒ расход энергии на перемешивание субстрата в процессе брожения.
Количество теплоты, которая расходуется на подогрев загруженной на протяжении суток биомассы до температуры процесса брожения, МДж/сутки, равно:
|
|
(5.9)
Температура загруженной биомассы 1ЛМ зависит от способа её загрузки в метантенк. Если масса поступает непосредственно из животноводческого корпуса, то ее температура такая же, как в помещении. Если массу для сбраживания берут из хранилища для навоза, то её температура равна температуре воздуха окружающей среды. Температура брожения зависит от принятого в проекте типа бродильного процесса; для термофильного брожения 
= 52-54 °С; для мезофильного - = 32-34 °С. Среднее значение теплоемкости субстрата: 
= 4,18 
МДж/(кг ∙ К)
Теплопотери от метантенка в окружающую среду, Вт, определяются по формуле
(5.10)
где 
‒ площадь наружной поверхности метантенка, м2; к - коэффициент теплопередачи от субстрата к окружающей среде Вт/(м2К); 
- температура окружающей среды, град.
Как правило, метантенки имеют цилиндрическую форму. Принимая отношение высоты метантенка к его диаметру H/D= 0,9 - 1,3, по значению можно определить .
Коэффициент теплопередачи находим по формуле:
, (5.11)
где 
, 
‒ коэффициенты теплообмена на внутреннее и наружной поверхностях метантенка, Вт/(м2К); 
‒ толщина стенки и слоёв утеплителей метантенка, м; 
‒ коэффициенты теплопроводности стенки и утеплителей метантенка, Вт/(м К).
Учитывая, что скорость движения субстрата в процессе его механического перемещения незначительна, можно считать, что процесс теплообмена на внутренней поверхности метантенка происходит при условиях свободной конвекции. Теплопроводность материала, из которого изготовлен метантенк:
Бетон ‒ λ= 1,74-1,92 Вт/(м ∙ К); сталь ‒ λ=74 Вт/(м ∙ К). Теплопроводность утеплителей: маты минераловатные ‒ λ= 0,54-1,72 Вт/(м ∙ К), пенополиуретан λ = 0,040-0,042 Вт/(м ∙ К),. Теплопроводность грунта зависит от его вида, плотности и влажности. Она может быть принята равной для песчаных грунтов 1,1 Вт/ (м ∙ К), для глинистых ‒ 1,75 и для высоковлажных ‒ 2,3 Вт/ (м ∙ К).
Тепловую потерю в окружающую среду следует определить для самого холодного и для самого тёплого периодов. За расчётную величину принимают их среднеарифметические значения.
Расход энергии на механическое перемешивание субстрата в иетантеке определяют по формуле:
, (5.12)
где 
‒ удельная нагрузка на мешалку (50 Вт /м3 ч); ‒ объём метантека, м3 ; z– продолжительность работы мешалки на протяжении суток (~8 час).
Энергия биогаза, которая вырабатывается на протяжении суток:
(5.13)
где 
- теплота сгорания биогаза. Можно принять: = 21-28 МДж/м3
Общая суточная выработка энергии биогазовой установки, МДж:
(5.14)
Коэффициент товарности биогазовой установки,%:
(5.15)
Считают, что биогазовая установка вырабатывает биогаз на протяжении 350 дней. На профилактический ремонт биогазовой установки даётся 15 суток.
Экономия условного топлива, кг, за счёт полученного в течение года биогаза составляет:
(5.16)
Формулы (5.1) – (5.16) могут быть использованы для расчёта основных параметров БГУ.