In 1776, omul de știință Alessandro Volta a concluzionat că există o relație reciprocă între greutatea și volumul substanței de descompunere a gazului degajat, și a fost descoperit mai târziu că principala componentă combustibil a biogazului produs este metan.
Deoarece metanul este componenta principală a gazelor naturale extrase din intestine, în procesul de studiere a biogazului, plantele pentru producția sa industrială au început să apară ca o alternativă la combustibilii fosili.
Prima instalație documentată de biogaz a fost construită în India în 1859 și, pentru prima dată în Europa, în Marea Britanie, biogazul a fost utilizat în luminile stradale în 1895.
Figura prezentând secțiunea transversală a primei instalații de biogaz
Procesele biochimice de formare a biogazului
Primele plante experimentale pentru producția de biogaz au fost dezvoltate prin încercări și erori, fără o înțelegere reală a proceselor care au loc. Odată cu dezvoltarea microbiologică, sa constatat că eliberarea gazului se datorează fermentării cu hidrogen și metan a biomasei. Deoarece aceste tipuri de fermentare au loc fără acces la oxigen, procesul de eliberare a metanului de descompunere a biomasei se numește și anaerob.
Digestia anaerobă are loc în mod natural în formarea unui gaz mlaștin
Într-o altă sinteză a biogazului este numita biodegradare (distrugerea biologică) a substanțelor organice cu eliberare de gaz metan liber (CH4). Următoarea formulă simplificată este dată, indicând selectarea substanțelor chimice din compuși organici în timpul bacteriilor metanogene de viață, în care un gaz metan lateral eliberat în timpul metabolismului:
Cu alte cuvinte, bacteriile microscopice, care consumă substanțe organice conținute în biomasă și deșeuri biologice, eliberează gaze combustibile. Dar, chiar și în condițiile cele mai favorabile, de eliberare de gaz inflamabil nu are loc o dată - au nevoie, inițial, un proces de fermentare a biomasei, extinderea are loc în mai multe etape în anumite perioade de timp.
Etapele de sinteză a biogazului
Pentru reproducere și de viață emit metan metanogene au nevoie de un mediu nutritiv care se formează într-o instalație de biogaz generațiile anterioare de alte bacterii. În prima etapă de proteine, grăsimi și carbohidrați din biomasa disponibilă, sub influența enzimelor hidrolitice descompun în compuși simpli organici: aminoacizi, zaharuri, acizi grași. Această etapă are loc sub influența bacteriilor acetogenice și se numește hidroliză.
Diverse bacterii, vedere microscopică
În a doua etapă, sub acțiunea bacteriilor heteroacetogene, apare hidroliza unor compuși organici, producând dioxid de carbon, hidrogen liber și acetat.
Nu face parte din rezultat oxidată în prima etapă a compușilor organici simpli formate prin reacția cu a doua formă de acetat etapă acizi organici simpli, care sunt un nutrient necesar pentru bacteriile care produc metan în a treia etapă.
Etapele activității vitale a microorganismelor în formarea metanului
Ea se află în a treia etapă a producției de biogaz, a cărui intensitate depinde de factori majori:
- Compoziția de biomasă;
- Temperaturile mediului nutritiv;
- Presiune în interiorul instalației;
- PH echilibru acid-bazic;
- Raportul dintre apă și biomasa încărcată;
- Șlefuirea materiilor prime și frecvența amestecării substratului;
- Prezența componentelor de stimulare și întârziere în mediu;
- Corelații de carbon, fosfor, azot și alte elemente.
Reprezentarea schematică a principalelor unități ale instalației de biogaz
Compoziția optimă a materiilor prime pentru producerea biogazului
Deoarece proteinele, grăsimile și carbohidrații conținute în orice instalație de biomasă sau de origine animală, precum și deșeuri și industria alimentară, în plus față de laboratoare de cercetare și instalații industriale, este realist să se obțină biogaz la domiciliu.
În continuarea acestui subiect, următorul articol va descrie în detaliu tipurile existente de generatoare de biogaz și de fabrici de biogaz auto-fabricate pe care le realizează meșteșugarii populare prin mâinile lor.
În acest stadiu este de remarcat faptul că biogazul este inflamabil și exploziv. iar presiunea excesivă poate sparge instalația de biogaz, urmată de o explozie de gaze. Prin urmare, parametrul principal controlat ar trebui să fie presiunea în instalație și etanșeitatea structurii.
Exemple de materii prime pentru producția de biogaz
Cantitatea maximă de biogaz poate fi obținută din grăsimi animale - aproximativ 1500 m3 dintr-o tonă de materii prime la o concentrație de metan de 87%. De asemenea, un randament semnificativ de biogaz este obținut din ulei vegetal supracarcinat - circa 1200 m3 la o concentrație de CH4- 68%.
Semnificativ mai mic de biogaz obținut din semințe de plante diferite de la 500 m3 - 54% CH4, (ovăz) la 644 m3 - 65,7% CH4 (rapiță). Din siloz de porumb, iarbă și alte plante, este posibil să se obțină 450-100 m3 cu o concentrație medie de metan de 55-50%.
Producția posibilă de biogaz din diferite semințe și rădăcini
Biogazul provenit din deșeurile animale
De la gunoi de grajd, randamentul gazului este mult mai mic, deoarece după trecerea tractului alimentar în produsele reziduale, cantitatea de nutrienți pentru microorganismele care formează metan este mică.
Deoarece la păsări sistemul digestiv este proiectat pentru selectarea rapidă a părții principale a nutrienților din alimente, cu excremente frecvente pentru a facilita zborul, biogazul din așternut va fi cel mai mare - aproximativ 100 m3 la 65% CH4.
Utilizarea instalației de biogaz este cea mai avantajoasă în fermele de păsări, unde există o problemă de utilizare a îngrășămintelor de pasăre
Întrucât bovinele dejecții are cel mai mic randament de biogaz - o medie de 25 m3 la 55% CH4, deoarece tractul digestiv, conceput pentru a maximiza recuperarea nutrienților din alimente pentru o lungă perioadă de timp cu mestecare repetată a alimentelor.
Producția de biogaz din gunoi de grajd crește atunci când este amestecată cu resturile de gunoi și furaje. De asemenea, umezeala și prospețimea gunoiului de grajd este importantă - pentru date mai detaliate trebuie să studiezi mesele speciale.
Producția posibilă de biogaz din gunoi de grajd al animalelor de fermă
Calitatea apei și prezența impurităților au un mare efect asupra vitezei de fermentare și a concentrației de metan în biogaz. Apa de robinet puternic clorată, utilizată pentru a dilua gunoi de grajd, va inhiba procesul de fermentație.
Dacă se folosesc substanțe bactericide și detergenți chimici pentru curățarea standurilor, rata de reacție în instalația de biogaz va fi semnificativ încetinită. Din același motiv, există dificultăți semnificative în procesul de gazificare a deșeurilor de canalizare a locuinței umane datorită rentabilității reduse și a unei concentrații mari de detergenți.
In ciuda randamentului redus de biogaz din deșeuri organisme din gunoiul de grajd de biogaz improvizate se adaugă la alte materii prime în substrat pentru propagarea speciei dorite de bacterii care locuiesc inițial în tractul digestiv
Pe substrat trebuie adăugată îngrășăminte bacteriene pentru producția de biogaz
Compoziția amestecului de biogaz
După cum sa menționat mai sus, la diferite etape ale procesului de biosinteză, pe lângă metan, dioxidul de carbon și hidrogenul sunt eliberate. De asemenea, în funcție de materiile prime, se eliberează amoniacul și hidrogenul sulfurat. Hidrogenul, în timp ce combustibil, dar volatilitatea acestuia nu permite utilizarea acestui gaz în instalațiile standard de gaz.
Amoniacul și hidrogenul sulfurat sunt compuși toxici care dăunează atât bacteriilor din instalația de biogaz, cât și mediului. Dioxidul de bioxid de carbon este un balast, iar cantitatea sa mare în amestec reduce în mod semnificativ inflamabilitatea și valoarea calorică a biogazului.
Procentul mediu al impurităților din biogazul obținut din diferite materii prime
Evident, datorită cantității mari de impurități, utilizarea biogazului în cazanele și aragazele convenționale este posibilă numai după o curățare completă a amestecului de gaz sintetizat. Se purifică biogazul rezultat în mai multe etape, dar este practic imposibil să se atingă un metan ideal, cel mai important fiind faptul că concentrația de impurități nu depășește normele stabilite.
Flacăra de biogaz arzând ar trebui să fie curată, ca toată energia biologică
In primele biogazul pas cu apă de curățare trece prin filtru, în cazul în care cea mai mare parte a dioxidului de carbon dizolvat, amoniacul și diferiți compuși aromatici. Apă cu o concentrație mare de dioxid de carbon dizolvat și amoniacul poate fi utilizat pentru cultivarea de alge, care, la rândul său, va fi utilizat pentru sinteza de biogaz a unei instalații de biogaz.
Sisteme de tratare a biogazului pentru instalații industriale de biogaz
După tratarea apei, biogazul este alimentat într-un filtru de purificare cu hidrogen sulfurat. Cel mai simplu este un filtru din așchii metalice și din rumeguș, pe care se depune sulf. În filtrele industriale se utilizează catalizatori specifici și soluții de sulf precipitante. Cea mai bună calitate a biogazului este obținută după trecerea filtrului cu membrană, unde moleculele de impurități nedorite sunt eliminate la nivel molecular.
Purificarea biogazului în metan pur utilizând un filtru cu membrană
Descrierea influenței unor factori asupra separării biogazului
Pentru a determina rata de fermentație și intensitatea eliberării biogazului, unul dintre factorii decisivi este temperatura amestecului. Aveți nevoie de un termometru și mai bine un senzor electric pentru a controla temperatura.
În instalațiile industriale de biogaz, regimul de temperatură și alți parametri sunt controlați de controlori speciali. Uneori, căldura de reacție este suficientă pentru a menține temperatura optimă, dar cel mai adesea substratul trebuie încălzit, în special în perioada rece a anului.
Controler de procesare computerizat de biogaz cu analizoare de gaz
În funcție de regimul de temperatură, există trei tipuri de fermentație anaerobă:
- Stațiile psihofilice care funcționează fără încălzire, unde temperatura este menținută spontan la un nivel de 15-25 ° C. Aplicată în țări cu climat cald;
- Mesofil, necesită o încălzire minoră suplimentară pentru a menține o temperatură de 25-40 ° C. Ele au cea mai bogată compoziție de îngrășăminte ecologice produse după generație, motiv pentru care sunt potrivite în mod optim pentru fermele mici;
- Instalațiile termofile de biogaz care necesită un consum ridicat de energie pentru menținerea temperaturilor peste 40ºC, maxim 90ºC. La această temperatură, bacteriile patogene dispar în îngrășămintele care se formează, iar cel mai mare randament al biogazului este obținut, motiv pentru care este utilizat pe scară largă în producția industrială de gaz biologic.
Izolarea termică a reactorului unei instalații de biogaz termofil
Împreună cu temperatura, dimensiunea particulelor solide de gunoi de grajd, deșeuri și biomasă are o mare importanță. Cu cât particulele de materie primă sunt mai mici, cu atât este mai mare zona de contact a bacteriilor cu mediul nutritiv. Prin urmare, cel mai important lucru în pregătirea materiilor prime este măcinarea.
Contactul bacteriilor cu alimentele este dificil în procesul de biosinteză din cauza acumulării de produse metabolice ale microorganismelor. Prin urmare, amestecarea în timp util a substratului în timpul procesului de fermentare este, de asemenea, un factor semnificativ pentru gazificarea biomasei. Exemplu de instalație industrială de biogaz cu controlul tuturor parametrilor:
Rentabilitatea producției de biogaz
Liderul în producerea de biogaz de înaltă calitate din materii prime în creștere și din deșeuri provenite de la fermele de creștere a animalelor este Germania. Rentabilitatea biosintezei gazelor este determinată de costul ridicat al transportatorilor de energie pe de o parte și de prezența programelor de stimulare a statului.
Stimularea introducerii tehnologiilor de biogaz este atât o subvenție semnificativă pentru achiziționarea de transportatori de energie de mediu de la producători, cât și o cantitate impresionantă de amenzi de poluare pentru îngrășămintele necontaminate.
Ecologic curat biogaz complex în țara dezvoltată economic
În satele sărace din India și China, proprietarii instalațiilor de biogaz semi-artizanale aproape nu clar gazul, apoi arde în arzător aragaz sau gaz. În aceste țări, producția de biogaz din deșeuri și materii prime vegetale, special cultivate se amortizează datorită costului redus al forței de muncă manuală a țăranilor și costul mic de a stabili ele însele lipsite de sisteme de tratare costisitoare și sisteme complexe automatizate de monitorizare și control.
Exemplu de fabrici de biogaz semi-manual din satele sărace din Asia
În presă și pe internet, puteți găsi o mulțime de titluri vesele, cum ar fi „economii la buget, folosind instalații de biogaz“, „Energia liberă de gunoi de grajd“, „Biogaz propriile lor mâini“, dar, în practică, așteptările privind randamentul costurilor de echipamente scumpe și în contradicție cu realitatea. Acest lucru se datorează complexității monitorizării tuturor parametrilor, precum și necesității încălzirii pentru o viteză optimă de fermentare. Un exemplu de poveste optimistă:
Articolul următor va furniza exemple de instalații improvizate care demonstrează ieșirea gazelor din lumea reală, și toată lumea va fi în măsură să determine pentru ele însele rentabilitatea producției independente de biogaz, în funcție de ratele lor de capacitate și energie.
Instalația de biogaz prin puteri proprii
Partea centralei eoliene 1. Calcule practice
Centrala eoliana partea 2. Turbina eoliana pentru casa