Come ottenere il biogas dal letame: una panoramica dei principi di base e della progettazione di un impianto di produzione

Gli agricoltori affrontano ogni anno il problema dello smaltimento del letame. I considerevoli fondi necessari per organizzarne l'esportazione e la sepoltura non vanno da nessuna parte. Ma c'è un modo che non solo ti fa risparmiare denaro, ma ti fa anche servire questo prodotto naturale per il tuo bene.

I proprietari zelanti usano da tempo l'ecotecnologia, il che consente loro di ottenere biogas dal letame e utilizzare il risultato come combustibile.

Pertanto, il nostro materiale si concentrerà sulla tecnologia di produzione di biogas, parleremo anche di come costruire un impianto di bioenergia.

Pro dell'utilizzo della biotecnologia

Tecnologia produzione di biocarburanti da varie fonti naturali non è nuovo. La ricerca in quest'area iniziò alla fine del XVIII secolo e si sviluppò con successo nel XIX secolo. In Unione Sovietica, la prima pianta da bioenergia è stata creata negli anni Quaranta del secolo scorso.

Le biotecnologie sono state a lungo utilizzate in molti paesi, ma oggi stanno acquisendo un significato speciale. A causa del deterioramento della situazione ambientale del pianeta e dell'elevato costo dell'energia, molti stanno rivolgendo lo sguardo verso fonti alternative di energia e calore.

La tecnologia per la trasformazione del letame in biogas consente di ridurre la quantità di emissioni nocive di metano nell'atmosfera e di ottenere una fonte aggiuntiva di energia termica

Naturalmente, il letame è un fertilizzante molto prezioso e se la fattoria ha due mucche, non ci sono problemi con il suo utilizzo. Un'altra cosa quando si tratta di allevamenti con bestiame medio-grande, dove ogni anno si formano tonnellate di materiale biologico fetido e in decomposizione.

Affinché il letame si trasformi in fertilizzante di alta qualità, sono necessarie aree con un determinato regime di temperatura, e questo è un costo aggiuntivo. Pertanto, molti agricoltori lo immagazzinano dove necessario, e poi lo portano nei campi.

A seconda del volume di materie prime generate al giorno, è necessario selezionare le dimensioni dell'installazione e il grado di automazione

Se non si osservano le condizioni di conservazione, fino al 40% di azoto e la parte principale del fosforo scompaiono dal letame, il che peggiora significativamente i suoi indicatori di qualità. Inoltre, il gas metano viene rilasciato nell'atmosfera, il che ha un impatto negativo sulla situazione ecologica del pianeta.

Le moderne biotecnologie consentono non solo di neutralizzare gli effetti dannosi del metano sulla situazione ambientale, ma anche di renderlo utile a beneficio dell'uomo, ottenendo al contempo notevoli vantaggi economici. Di conseguenza si forma il biogas per la lavorazione del letameda cui è quindi possibile ottenere migliaia di kW di energia e i prodotti di scarto sono un fertilizzante anaerobico molto prezioso.

Il meccanismo di formazione di gas dalle materie prime organiche

Il biogas è una sostanza volatile senza colore o odore, che contiene fino al 70% di metano. Con i suoi indicatori di qualità, si sta avvicinando al tipo tradizionale di combustibile - gas naturale. Ha un buon potere calorifico, 1m³ il biogas emette tutto il calore che si ottiene bruciando un chilo e mezzo di carbone.

Dobbiamo la formazione di biogas ai batteri anaerobici, che stanno attivamente lavorando alla decomposizione delle materie prime organiche, che vengono utilizzate per lo sterco di animali da fattoria, escrementi di uccelli, rifiuti di qualsiasi pianta.

Nella produzione indipendente di biogas possono essere utilizzati escrementi di uccelli e prodotti di scarto di piccoli e grandi animali. Le materie prime possono essere utilizzate in forma pura e sotto forma di una miscela con l'inclusione di erba, fogliame, carta vecchia

Per attivare il processo, è necessario creare condizioni favorevoli per la vita dei batteri. Dovrebbero essere simili a quelli in cui i microrganismi si sviluppano in un serbatoio naturale - nello stomaco degli animali, dove c'è calore e niente ossigeno.

In realtà, queste sono le due condizioni principali che contribuiscono alla trasformazione miracolosa del letame in combustibile ecologico e fertilizzanti preziosi.

Per ottenere il biogas, è necessario un reattore sigillato senza accesso all'aria, in cui si svolgerà il processo di fermentazione del letame e la sua decomposizione in componenti:

• metano (fino al 70%);
• diossido di carbonio (circa il 30%);
• altre sostanze gassose (1-2%).

I gas formati salgono nel serbatoio, da dove vengono poi pompati, e il prodotto residuo si deposita - un fertilizzante organico di alta qualità che ha trattenuto tutte le sostanze preziose presenti nel letame - azoto e fosforo e ha perso una parte significativa dei microrganismi patogeni a seguito della lavorazione.

Il reattore a biogas deve avere una struttura completamente sigillata in cui non c'è ossigeno, altrimenti il ​​processo di decomposizione del letame sarà estremamente lento

La seconda condizione importante per l'effettiva decomposizione del letame e la formazione di biogas è il rispetto del regime di temperatura. I batteri coinvolti nel processo vengono attivati ​​a una temperatura di +30 gradi.

Inoltre, nel letame contiene due tipi di batteri:

• mesofili. La loro attività vitale si verifica ad una temperatura di +30 - +40 gradi;
• termofili. Per la loro riproduzione, è necessario osservare il regime di temperatura di +50 (+60) gradi.

Il tempo di lavorazione delle materie prime negli impianti del primo tipo dipende dalla composizione della miscela e varia da 12 a 30 giorni. Allo stesso tempo, 1 litro di superficie utile del reattore fornisce 2 litri di biocarburante. Quando si utilizzano impianti del secondo tipo, il tempo di produzione del prodotto finale è ridotto a tre giorni e la quantità di biogas aumenta a 4,5 litri.

L'efficienza degli impianti termofili è visibile ad occhio nudo, tuttavia, il costo della loro manutenzione è molto elevato, quindi prima di scegliere questo o quel metodo di produzione di biogas, è necessario calcolare attentamente tutto

Nonostante l'efficienza degli impianti termofili sia dieci volte superiore, vengono utilizzati molto meno spesso, poiché il mantenimento di temperature elevate nel reattore è associato a costi elevati.

La manutenzione e la manutenzione di impianti di tipo mesofilo è più economica, quindi la maggior parte delle aziende agricole li utilizza per produrre biogas.

Secondo i criteri del potenziale energetico, il biogas è leggermente inferiore al gasolio convenzionale. Tuttavia, contiene fumi di solfato, la cui presenza dovrebbe essere presa in considerazione nella scelta dei materiali per la costruzione dell'installazione

Calcoli dell'efficienza del biogas

Per valutare tutti i vantaggi dell'utilizzo di biocarburanti alternativi, saranno utili semplici calcoli. Una mucca del peso di 500 kg produce circa 35-40 kg di letame al giorno. Questo importo è sufficiente per ottenere circa 1,5 m³ biogas, da cui a sua volta è possibile generare 3 kW / h di elettricità.

Utilizzando i dati della tabella, è facile calcolare quanti m³ il biogas può essere ottenuto all'uscita conformemente al bestiame disponibile in azienda

Per ottenere biocarburanti, è possibile utilizzare un tipo di materia prima organica o una miscela di più componenti con un contenuto di umidità dell'85-90%. È importante che non contengano impurità chimiche estranee che incidono negativamente sul processo di lavorazione.

La ricetta più semplice per la miscela è stata inventata nel 2000 da un contadino russo della regione di Lipetsk, che ha costruito con le proprie mani l'impianto più semplice per la produzione di biogas. Ha miscelato 1.500 kg di letame di mucca con 3.500 kg di rifiuti di varie piante, ha aggiunto acqua (circa il 65% del peso di tutti gli ingredienti) e ha riscaldato la miscela a 35 gradi.

Due settimane dopo, il carburante gratuito è pronto. Questa piccola installazione ha prodotto 40 m³ gas al giorno, che è stato sufficiente per riscaldare la casa e gli edifici domestici per sei mesi.

Opzioni per le piante a biocarburante

Dopo aver effettuato i calcoli, è necessario determinare come realizzare l'impianto al fine di ottenere biogas in base alle esigenze della sua economia. Se il numero di capi di bestiame è piccolo, allora l'opzione più semplice è adatta, che è facile da fare con mezzi improvvisati con le tue mani.

È consigliabile per le grandi aziende agricole che hanno una fonte costante di una grande quantità di materie prime per costruire un sistema industriale automatizzato di biogas. In questo caso, è quasi impossibile fare a meno di coinvolgere specialisti che svilupperanno il progetto e monteranno l'installazione a livello professionale.

Il diagramma mostra chiaramente come funziona il complesso automatizzato industriale per la produzione di biogas. La costruzione di una tale scala può essere organizzata contemporaneamente da diverse aziende agricole situate nelle vicinanze

Oggi ci sono decine di aziende che possono offrire molte opzioni: dalle soluzioni già pronte allo sviluppo di un singolo progetto.Per ridurre i costi di costruzione, è possibile collaborare con le aziende agricole vicine (se disponibili nelle vicinanze) e costruire un'unità per tutta la produzione di biogas.

Va notato che per la costruzione anche di una piccola installazione, è necessario redigere i documenti pertinenti, creare un diagramma di flusso, pianificare il posizionamento delle apparecchiature e la ventilazione (se l'apparecchiatura è installata nella stanza), sottoporsi a procedure di approvazione con il SES, ispezione antincendio e del gas.

Un mini-impianto per la produzione di gas per soddisfare le esigenze di una piccola economia privata può essere realizzato con la propria mano, concentrandosi sulla progettazione e sulle specifiche delle installazioni dei dispositivi, realizzate su scala industriale.

La progettazione di impianti per la trasformazione di letame e sostanze organiche vegetali in biogas non presenta differenze di complessità. L'originale rilasciato dall'industria è abbastanza adatto come modello per la costruzione della propria mini-fabbrica

Gli artigiani indipendenti che decidono di iniziare a costruire la propria installazione devono fare scorta di un serbatoio d'acqua, tubi di plastica per acqua o fognature, curve ad angolo, guarnizioni e un cilindro per immagazzinare il gas ricevuto nell'installazione.

Caratteristiche del sistema di biogas

Un impianto completo di biogas è un sistema complesso costituito da:

1. Bioreattore, in cui il processo di decomposizione del letame;
2. Sistema automatizzato di alimentazione dei rifiuti organici;
3. Dispositivi per miscelare biomassa;
4. Attrezzature per mantenere condizioni di temperatura ottimali;
5. Serbatoio di gas - serbatoi di stoccaggio del gas;
6. Ricevitore di rifiuti solidi.

Tutti i suddetti articoli sono installati in impianti industriali che operano in modalità automatica. I reattori domestici, di norma, hanno un design più semplificato.

Il diagramma mostra i componenti principali di un sistema di biogas automatizzato. Il volume del reattore dipende dall'assunzione giornaliera di materie prime organiche. Per il pieno funzionamento dell'installazione, il reattore deve essere riempito per due terzi del volume

Il principio di funzionamento dell'installazione

L'elemento principale del sistema è un bioreattore.Esistono diverse opzioni per la sua esecuzione, l'importante è garantire la tenuta della struttura ed eliminare l'ingresso di ossigeno. Può essere realizzato sotto forma di un contenitore metallico di varie forme (solitamente cilindrico) situato sulla superficie. Spesso, per questi scopi, vengono utilizzati serbatoi di carburante vuoti da 50 cc.

È possibile acquistare contenitori pronti dal design pieghevole. Il loro vantaggio è la capacità di smontare rapidamente e, se necessario, trasportare in un altro posto. Si consiglia di utilizzare installazioni di superficie industriale in grandi aziende agricole in cui vi è un afflusso costante di una grande quantità di materie prime organiche.

Per le cascine più piccole, l'opzione di posizionamento del serbatoio sotterraneo è più adatta. Il bunker sotterraneo è costruito in mattoni o cemento. Puoi scavare contenitori pronti, ad esempio barili di metallo, acciaio inossidabile o PVC, nel terreno. È anche possibile affiorarli sulla strada o in una stanza appositamente progettata con una buona ventilazione.

Per la produzione di un impianto di biogas, è possibile acquistare e installare contenitori in PVC già pronti in una stanza dotata di un sistema di ventilazione

Non importa dove e come si trova il reattore, è dotato di una tramoggia per il caricamento del letame. Prima di caricare la materia prima, deve essere preparata preliminarmente: viene frantumata in frazioni non superiori a 0,7 mm e diluita con acqua. Idealmente, il contenuto di umidità del substrato dovrebbe essere di circa il 90%.

Gli impianti automatizzati di tipo industriale sono dotati di un sistema di alimentazione, incluso un ricevitore, in cui la miscela viene portata all'umidità necessaria, una tubazione per l'approvvigionamento idrico e un'unità di pompaggio per pompare la massa nel bioreattore.

Nelle installazioni domestiche, vengono utilizzati contenitori separati per preparare il substrato, dove i rifiuti vengono frantumati e miscelati con acqua. Quindi la massa viene caricata nel compartimento ricevente. Nei reattori situati sottoterra, viene estratta la tramoggia per ricevere il substrato, la miscela preparata per gravità scorre attraverso la tubazione nella camera per la fermentazione.

Se il reattore si trova a terra o al chiuso, il tubo di ingresso con il dispositivo di ricezione può trovarsi nella parte inferiore del serbatoio. È anche possibile portare il tubo nella parte superiore e mettere una campana sul collo. In questo caso, la biomassa dovrà essere pompata.

Nel bioreattore, è anche necessario fornire un'uscita, che viene realizzata quasi nella parte inferiore del serbatoio sul lato opposto della tramoggia di ingresso. Nel posizionamento sotterraneo, il tubo di uscita è installato obliquamente verso l'alto e conduce a un contenitore per rifiuti, a forma di scatola di forma rettangolare. Il suo bordo superiore dovrebbe essere al di sotto del livello dell'ingresso.

I tubi di entrata e di uscita si trovano obliquamente verso l'alto su diversi lati del serbatoio, mentre il serbatoio di compensazione in cui entrano i rifiuti dovrebbe essere più basso della tramoggia di ricezione

Il processo procede come segue: la tramoggia di ingresso riceve un nuovo lotto di substrato, che fluisce nel reattore, allo stesso tempo la stessa quantità di massa spesa viene convogliata al ricevitore di rifiuti, da dove viene successivamente raccolta e utilizzata come biofertilizzante di alta qualità.

Lo stoccaggio del biogas viene effettuato in un serbatoio di gas. Molto spesso, si trova direttamente sul tetto del reattore e ha la forma di una cupola o di un cono. È realizzato in ferro per coperture e quindi, per evitare processi corrosivi, è verniciato con diversi strati di pittura ad olio.

Negli impianti industriali, progettati per ricevere una grande quantità di gas, il serbatoio del gas viene spesso realizzato sotto forma di un serbatoio separato collegato al reattore da una tubazione.

Il gas ottenuto a seguito della fermentazione non è adatto all'uso, poiché contiene una grande quantità di vapore acqueo e in questa forma non brucia. Per pulirlo da frazioni d'acqua, il gas viene fatto passare attraverso un sigillo d'acqua.Per fare ciò, un tubo viene rimosso dal serbatoio del gas, attraverso il quale il biogas entra nel serbatoio con acqua e da lì viene fornito ai consumatori attraverso un tubo di plastica o metallo.

Schema dell'installazione situata sotto terra. L'ingresso e l'uscita devono essere situati sui lati opposti del serbatoio. Un otturatore d'acqua si trova sopra il reattore attraverso il quale il gas prodotto viene fatto defluire

In alcuni casi, per conservare il gas vengono utilizzati speciali sacchi di gas in polivinilcloruro. I sacchetti vengono posizionati accanto all'unità e gradualmente riempiti di gas. Durante il riempimento, il materiale elastico si gonfia e il volume dei sacchetti aumenta, consentendo di risparmiare temporaneamente una quantità maggiore del prodotto finale.

Condizioni per l'effettivo funzionamento del bioreattore

Per un funzionamento efficiente dell'impianto e un'intensa separazione del biogas, è necessaria una fermentazione uniforme del substrato organico. La miscela dovrebbe essere in costante movimento. Altrimenti, su di essa si forma una crosta, il processo di decomposizione rallenta, producendo meno gas di quanto originariamente calcolato.

Per garantire la miscelazione attiva della biomassa, nella parte superiore o laterale di un tipico reattore sono installati agitatori di tipo sommergibile o inclinato dotati di azionamento elettrico. Nelle installazioni artigianali, la miscelazione viene eseguita meccanicamente utilizzando un dispositivo simile a un mixer domestico. Può essere controllato manualmente o dotato di un azionamento elettrico.

Con una disposizione verticale del reattore, la maniglia del miscelatore viene visualizzata nella parte superiore dell'installazione. Se il contenitore è installato orizzontalmente, la coclea si trova anche su un piano orizzontale e la maniglia si trova sul lato del bioreattore

Una delle condizioni più importanti per la produzione di biogas è il mantenimento della temperatura richiesta nel reattore. Il riscaldamento può essere fatto in diversi modi. Nelle installazioni fisse, vengono utilizzati sistemi di riscaldamento automatizzati che si accendono quando la temperatura scende al di sotto di un livello prestabilito e si spengono quando viene impostata la temperatura richiesta.

Per il riscaldamento, puoi usare caldaie a gas, eseguire il riscaldamento diretto con stufe elettriche o integrare un elemento riscaldante nella base del serbatoio.

Per ridurre la perdita di calore, si consiglia di costruire un piccolo telaio attorno al reattore con uno strato di lana di vetro o coprire l'installazione con isolamento termico. Ha buone proprietà di isolamento termico. schiuma di polistirolo e altre sue varietà.

Per equipaggiare un sistema di riscaldamento a biomassa, è possibile disegnare una conduttura dal riscaldamento domestico, che è alimentato da un reattore

Determinazione del volume richiesto

Il volume del reattore è determinato in base alla quantità giornaliera di letame prodotto nell'azienda agricola. È inoltre necessario considerare il tipo di materia prima, la temperatura e il tempo di fermentazione. Affinché l'installazione funzioni completamente, il serbatoio è riempito all'85-90% del volume, almeno il 10% deve rimanere libero affinché il gas fuoriesca.

Il processo di decomposizione dei prodotti organici in un'installazione mesofila a una temperatura media di 35 gradi dura da 12 giorni, dopo di che i residui fermentati vengono rimossi e il reattore viene riempito con una nuova porzione del substrato. Poiché i rifiuti sono diluiti con acqua fino al 90% prima di essere inviati al reattore, è necessario tenere conto anche della quantità di liquido nel determinare il carico giornaliero.

Sulla base degli indicatori di cui sopra, il volume del reattore sarà pari alla quantità giornaliera del substrato preparato (letame con acqua) moltiplicato per 12 (il tempo necessario per la decomposizione della biomassa) e aumentato del 10% (volume del serbatoio libero).

Costruzione sotterranea

Ora parliamo dell'installazione più semplice che ti consente di ottenere biogas a casa al costo più basso. Considera la costruzione di un sistema sotterraneo.Per farlo, devi scavare un buco, la sua base e le pareti sono colate con cemento armato espanso rinforzato.

Sui lati opposti della camera, vengono inserite le aperture di ingresso e uscita, dove vengono montati tubi inclinati per alimentare il substrato e pompare la massa spesa.

Il tubo di uscita con un diametro di circa 7 cm dovrebbe trovarsi quasi nella parte inferiore della tramoggia, l'altra estremità è montata in un contenitore di compensazione di forma rettangolare, nel quale verranno pompati i rifiuti. La tubazione per l'alimentazione del substrato si trova a circa 50 cm dal fondo e ha un diametro di 25-35 cm, mentre la parte superiore del tubo entra nel compartimento per ricevere materie prime.

Il reattore deve essere completamente sigillato. Per escludere la possibilità di ingresso di aria, il contenitore deve essere coperto con uno strato di impermeabilizzazione bituminosa

La parte superiore della tramoggia è un supporto per gas a cupola o conica. È realizzato in lamiera o ferro per coperture. È anche possibile completare la costruzione con muratura, che viene quindi coperta con rete d'acciaio e intonacata. Sulla parte superiore del serbatoio del gas è necessario realizzare un portello sigillato, rimuovere il tubo del gas che passa attraverso il paraolio e installare una valvola per scaricare la pressione del gas.

Per miscelare il substrato, è possibile dotare l'installazione di un sistema di drenaggio che funziona secondo il principio di sparging. Per fare ciò, fissare verticalmente i tubi di plastica all'interno della struttura in modo che il loro bordo superiore sia più alto dello strato di substrato. Fai molti buchi in loro. Il gas sotto pressione cadrà e, aumentando, le bolle di gas mescoleranno la biomassa nel serbatoio.

Se non vuoi costruire un bunker di cemento, puoi acquistare un contenitore in PVC pronto. Per mantenere il calore, deve essere circondato da uno strato di isolamento termico - schiuma di polistirolo. Il fondo della fossa è riempito con cemento armato con uno strato di 10 cm e si possono usare serbatoi in polivinilcloruro se il volume del reattore non supera i 3 m3.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Come effettuare l'installazione più semplice da una normale botte, imparerai se guardi il video:

Come è la costruzione di un reattore sotterraneo, puoi vedere nel video:

Come viene caricato il letame nell'installazione sotterranea è mostrato nel seguente video:

Un impianto per la produzione di biogas da letame risparmierà significativamente sul pagamento del calore e dell'elettricità e farà funzionare bene il materiale organico, che è abbondante in ogni azienda agricola. Prima di iniziare la costruzione, è necessario calcolare attentamente e preparare tutto.

Il reattore più semplice può essere realizzato in pochi giorni con le tue mani, usando strumenti improvvisati. Se la fattoria è grande, è meglio acquistare un'installazione pronta o consultare uno specialista.

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