Como obter biogás a partir de estrume: uma visão geral dos princípios básicos e design de uma planta de produção

Os agricultores enfrentam anualmente o problema do descarte de esterco. Fundos consideráveis ​​necessários para organizar sua exportação e enterro não levam a lugar algum. Mas existe uma maneira de não apenas economizar dinheiro, mas também fazer com que você sirva esse produto natural para seu próprio bem.

Proprietários zelosos há muito tempo usam a ecotecnologia na prática, o que lhes permite obter biogás a partir de esterco e usar o resultado como combustível.

Portanto, nosso material se concentrará na tecnologia de produção de biogás, também falaremos sobre como construir uma instalação de bioenergia.

Profissionais do uso da biotecnologia

Tecnologia produção de biocombustível de várias fontes naturais não é novidade. As pesquisas nessa área começaram no final do século XVIII e foram desenvolvidas com sucesso no século XIX. Na União Soviética, a primeira usina de bioenergia foi criada nos anos quarenta do século passado.

As biotecnologias são usadas há muito tempo em muitos países, mas hoje elas estão adquirindo um significado especial. Devido à deterioração da situação ambiental do planeta e ao alto custo da energia, muitos estão voltando os olhos para fontes alternativas de energia e calor.

A tecnologia para processar estrume em biogás permite reduzir a quantidade de emissões nocivas de metano na atmosfera e obter uma fonte adicional de energia térmica

Obviamente, o esterco é um fertilizante muito valioso e, se a fazenda tiver duas vacas, não haverá problemas com seu uso. Outra coisa é quando se trata de fazendas com gado grande e médio, onde são formadas toneladas de material biológico fétido e podre por ano.

Para que o esterco se transforme em fertilizante de alta qualidade, você precisa de áreas com um certo regime de temperatura, e isso é uma despesa extra. Portanto, muitos fazendeiros armazenam onde necessário e depois os levam para os campos.

Dependendo do volume de matérias-primas geradas por dia, as dimensões da instalação e o grau de sua automação devem ser selecionados

Se as condições de armazenamento não forem observadas, até 40% do nitrogênio e a parte principal do fósforo desaparecem do esterco, o que piora significativamente seus indicadores de qualidade. Além disso, o gás metano é liberado na atmosfera, o que tem um impacto negativo na situação ecológica do planeta.

As biotecnologias modernas possibilitam não apenas neutralizar os efeitos nocivos do metano na situação ambiental, mas também fazê-lo servir para o benefício do homem, além de extrair consideráveis ​​benefícios econômicos. Como resultado o biogás de processamento de estrume é formadoa partir da qual você pode obter milhares de kW de energia, e os resíduos são um fertilizante anaeróbico muito valioso.

O mecanismo de formação de gás a partir de matérias-primas orgânicas

O biogás é uma substância volátil, sem cor ou odor, que contém até 70% de metano. Por seus indicadores de qualidade, está se aproximando do tipo tradicional de combustível - gás natural. Tem um bom valor calorífico, 1m³ o biogás emite tanto calor quanto é obtido queimando um quilo e meio de carvão.

Devemos a formação de biogás a bactérias anaeróbicas, que estão trabalhando ativamente na decomposição de matérias-primas orgânicas, que são usadas para esterco de animais de fazenda, excrementos de pássaros e resíduos de quaisquer plantas.

Na produção independente de biogás, podem ser usados ​​excrementos de aves e resíduos de pequenos e grandes animais. As matérias-primas podem ser usadas na forma pura e na forma de uma mistura com a inclusão de grama, folhagem, papel velho

Para ativar o processo, é necessário criar condições favoráveis ​​para a vida das bactérias. Eles devem ser semelhantes àqueles em que os microrganismos se desenvolvem em um reservatório natural - no estômago dos animais, onde há calor e nenhum oxigênio.

Na verdade, essas são as duas principais condições que contribuem para a transformação milagrosa do estrume podre em combustível ecológico e fertilizantes valiosos.

Para obter o biogás, é necessário um reator selado sem acesso ao ar, onde ocorrerá o processo de fermentação do estrume e sua decomposição em componentes:

• metano (até 70%);
• dióxido de carbono (aproximadamente 30%);
• outras substâncias gasosas (1-2%).

Os gases resultantes sobem no tanque, de onde são bombeados, e o produto residual se acalma - um fertilizante orgânico de alta qualidade que retém todas as substâncias valiosas encontradas no esterco - nitrogênio e fósforo, e perdeu uma parte significativa dos microorganismos patogênicos como resultado do processamento.

O reator de biogás deve ter uma estrutura completamente selada na qual não haja oxigênio; caso contrário, o processo de decomposição do esterco será extremamente lento

A segunda condição importante para a decomposição efetiva do esterco e a formação de biogás é a conformidade com o regime de temperatura. As bactérias envolvidas no processo são ativadas a uma temperatura de +30 graus.

Além disso, o estrume contém dois tipos de bactérias:

• mesofílico. Sua atividade vital ocorre a uma temperatura de +30 - +40 graus;
• termofílico. Para sua reprodução, é necessário observar o regime de temperatura de +50 (+60) graus.

O tempo de processamento de matérias-primas em plantas do primeiro tipo depende da composição da mistura e varia de 12 a 30 dias. Ao mesmo tempo, 1 litro de área útil do reator fornece 2 litros de biocombustível. Ao usar usinas do segundo tipo, o tempo de produção do produto final é reduzido para três dias e a quantidade de biogás aumenta para 4,5 litros.

A eficiência das usinas termofílicas é visível a olho nu; no entanto, o custo de sua manutenção é muito alto; portanto, antes de escolher este ou aquele método de produção de biogás, é necessário calcular cuidadosamente tudo

Apesar de a eficiência das plantas termofílicas ser dez vezes maior, elas são usadas com muito menos frequência, pois a manutenção de altas temperaturas no reator está associada a altos custos.

A manutenção e manutenção de plantas do tipo mesofílico é mais barata, portanto a maioria das fazendas as utiliza para produzir biogás.

De acordo com os critérios de potencial energético, o biogás é ligeiramente inferior ao combustível convencional. No entanto, contém vapores de sulfato, cuja presença deve ser levada em consideração na escolha de materiais para a construção da instalação

Cálculos da eficiência do biogás

Para avaliar todos os benefícios do uso de biocombustíveis alternativos, cálculos simples ajudarão. Uma vaca pesando 500 kg produz cerca de 35-40 kg de esterco por dia. Esta quantidade é suficiente para obter cerca de 1,5 m³ biogás, a partir do qual é possível gerar 3 kW / h de eletricidade.

Usando os dados da tabela, é fácil calcular quantos m³ o biogás pode ser obtido na saída de acordo com o gado disponível na fazenda

Para obter biocombustíveis, você pode usar um tipo de matéria-prima orgânica ou uma mistura de vários componentes com um teor de umidade de 85 a 90%. É importante que eles não contenham impurezas químicas estranhas que afetem adversamente o processo de processamento.

A receita mais simples para a mistura foi inventada em 2000 por um camponês russo da região de Lipetsk que construiu suas próprias mãos a planta mais simples para a produção de biogás. Ele misturou 1.500 kg de esterco de vaca com 3.500 kg de resíduos de várias plantas, adicionou água (aproximadamente 65% do peso de todos os ingredientes) e aqueceu a mistura a 35 graus.

Duas semanas depois, o combustível livre está pronto. Esta pequena instalação produziu 40 m³ gás por dia, o suficiente para aquecer a casa e os prédios domésticos por seis meses.

Opções para usinas de biocombustíveis

Após a realização dos cálculos, é necessário determinar como fabricar a planta para obter biogás de acordo com as necessidades de sua economia. Se o número de animais é pequeno, a opção mais simples é adequada, fácil de criar com meios improvisados ​​com suas próprias mãos.

É recomendável que grandes fazendas que tenham uma fonte constante de uma grande quantidade de matérias-primas criem um sistema industrial de biogás automatizado. Nesse caso, dificilmente é possível prescindir do envolvimento de especialistas que desenvolverão o projeto e montarão a instalação em nível profissional.

O diagrama mostra claramente como o complexo industrial automatizado para produção de biogás funciona. A construção dessa escala pode ser organizada ao mesmo tempo por várias fazendas localizadas nas proximidades

Hoje, existem dezenas de empresas que podem oferecer muitas opções: desde soluções prontas até o desenvolvimento de um projeto individual.Para reduzir o custo de construção, você pode cooperar com as fazendas vizinhas (se disponível nas proximidades) e construir uma unidade para toda a produção de biogás.

Note-se que, para a construção de uma instalação pequena, é necessário elaborar os documentos relevantes, fazer um fluxograma, planejar a colocação de equipamentos e ventilação (se o equipamento estiver instalado na sala), passar por procedimentos de aprovação com o SES, inspeção de incêndio e gás.

Uma mini-planta para a produção de gás para atender às necessidades de uma pequena economia privada pode ser feita com a própria mão, com foco no design e nas especificações das instalações do dispositivo, fabricadas em escala industrial.

O projeto de plantas para o processamento de esterco e orgânicos de plantas em biogás não difere em complexidade. O original emitido pela indústria é bastante adequado como modelo para a construção de sua própria mini-fábrica

Os artesãos independentes que decidem começar a construir sua própria instalação devem estocar um tanque de água, tubos de plástico para água ou esgoto, cantos, juntas e um cilindro para armazenar o gás recebido na instalação.

Características do sistema de biogás

Uma planta de biogás de pleno direito é um sistema complexo que consiste em:

1. Biorreator, onde o processo de decomposição do esterco;
2. Sistema automatizado de alimentação de resíduos orgânicos;
3. Dispositivos para misturar biomassa;
4. Equipamento para manter ótimas condições de temperatura;
5. Tanque de gás - tanques de armazenamento de gás;
6. Receptor de resíduos sólidos.

Todos os itens acima são instalados em plantas industriais que operam no modo automático. Os reatores domésticos, por via de regra, têm um design mais simplificado.

O diagrama mostra os principais componentes de um sistema automatizado de biogás. O volume do reator depende da ingestão diária de matérias-primas orgânicas. Para o pleno funcionamento da instalação, o reator deve ser preenchido em dois terços do volume

O princípio de operação da instalação

O principal elemento do sistema é um biorreator.Existem várias opções para sua execução, o principal é garantir a rigidez da estrutura e eliminar a entrada de oxigênio. Pode ser fabricado na forma de um recipiente de metal de várias formas (geralmente cilíndricas) localizado na superfície. Freqüentemente, para esses fins, são usados ​​tanques de combustível vazios de 50 cc.

Você pode comprar contêineres prontos com design dobrável. Sua vantagem é a capacidade de desmontar rapidamente e, se necessário, transportar para outro local. É aconselhável usar instalações industriais de superfície em grandes fazendas, onde há um fluxo constante de uma grande quantidade de matérias-primas orgânicas.

Para fazendas menores, a opção de colocação de tanques subterrâneos é mais adequada. O bunker subterrâneo é construído de tijolo ou concreto. Você pode cavar recipientes prontos, por exemplo, barris de metal, aço inoxidável ou PVC, no chão. Também é possível colocá-los na rua ou em uma sala especialmente designada com boa ventilação.

Para a fabricação de uma planta de biogás, os contêineres de PVC prontos para compra podem ser comprados e instalados em uma sala equipada com um sistema de ventilação

Não importa onde e como o reator esteja localizado, ele é equipado com uma tremonha para carregar o esterco. Antes de carregar a matéria-prima, ela deve ser preparada preliminarmente: é triturada em frações não superiores a 0,7 mm e diluída com água. Idealmente, o teor de umidade do substrato deve ser de cerca de 90%.

As instalações automatizadas do tipo industrial estão equipadas com um sistema de alimentação, incluindo um receptor, no qual a mistura é levada à umidade necessária, um gasoduto para o fornecimento de água e uma unidade de bombeamento para bombear a massa para o biorreator.

Nas instalações domésticas, são utilizados recipientes separados para preparar o substrato, onde os resíduos são triturados e misturados com água. Em seguida, a massa é carregada no compartimento receptor. Nos reatores localizados no subsolo, é trazida a tremonha para receber o substrato, a mistura preparada por gravidade flui através da tubulação para a câmara para fermentação.

Se o reator estiver localizado no chão ou dentro de casa, o tubo de entrada com o dispositivo receptor pode estar localizado no lado inferior do tanque. Também é possível trazer o tubo para a parte superior e colocar um sino no pescoço. Nesse caso, a biomassa terá que ser bombeada.

No biorreator, também é necessário fornecer uma saída, que é feita quase no fundo do tanque, no lado oposto da tremonha de entrada. Em um local subterrâneo, o tubo de saída é instalado obliquamente para cima e leva a um receptáculo de resíduos, no formato de uma caixa de formato retangular. Sua borda superior deve estar abaixo do nível da entrada.

Os tubos de entrada e saída estão localizados obliquamente para cima em diferentes lados do tanque, enquanto o tanque de compensação no qual os resíduos entram deve ser menor do que a tremonha receptora

O processo prossegue da seguinte maneira: a tremonha de entrada recebe um novo lote de substrato, que flui para o reator, ao mesmo tempo a mesma quantidade de massa gasta é canalizada para o receptor de resíduos, de onde é posteriormente recolhida e usada como biofertilizante de alta qualidade.

O armazenamento de biogás é realizado em um tanque de gás. Na maioria das vezes, ele está localizado diretamente no teto do reator e tem a forma de uma cúpula ou cone. É feito de ferro de cobertura e, para evitar processos corrosivos, é pintado com várias camadas de tinta a óleo.

Nas plantas industriais, projetadas para receber uma grande quantidade de gás, o tanque de gás é geralmente fabricado na forma de um tanque separado, conectado ao reator por uma tubulação.

O gás obtido como resultado da fermentação não é adequado para uso, pois contém uma grande quantidade de vapor de água e, dessa forma, não queima. Para limpá-lo de frações de água, o gás é passado através de um lacre de água.Para isso, um tubo é removido do tanque de gás, através do qual o biogás entra no tanque com água e, a partir daí, é fornecido aos consumidores através de um tubo de plástico ou metal.

Esquema da instalação localizada no subsolo. A entrada e a saída devem estar localizadas em lados opostos do tanque. Um obturador de água está localizado acima do reator através do qual o gás produzido é passado para drenar

Em alguns casos, sacos de gás especiais feitos de cloreto de polivinil são usados ​​para armazenar gás. Os sacos são colocados ao lado da unidade e gradualmente preenchidos com gás. À medida que o enchimento é inflado, o material elástico aumenta e o volume das bolsas aumenta, permitindo economizar temporariamente uma quantidade maior do produto final.

Condições para o funcionamento efetivo do biorreator

Para a operação eficiente da instalação e a separação intensiva do biogás, é necessária uma fermentação uniforme do substrato orgânico. A mistura deve estar em movimento constante. Caso contrário, uma crosta se forma nela, o processo de decomposição diminui, resultando em menos gás do que o calculado originalmente.

Para garantir a mistura ativa de biomassa, agitadores submersíveis ou inclinados, equipados com acionamento elétrico, são instalados na parte superior ou lateral de um reator típico. Nas instalações artesanais, a mistura é realizada mecanicamente usando um dispositivo semelhante a um misturador doméstico. Pode ser controlado manualmente ou equipado com um acionamento elétrico.

Com uma disposição vertical do reator, a alça do misturador é exibida na parte superior da instalação. Se o contêiner estiver instalado horizontalmente, o eixo helicoidal também estará localizado em um plano horizontal e a alça estará localizada na lateral do biorreator

Uma das condições mais importantes para a produção de biogás é manter a temperatura necessária no reator. O aquecimento pode ser feito de várias maneiras. Em instalações estacionárias, são utilizados sistemas de aquecimento automatizados que ligam quando a temperatura cai abaixo de um nível predeterminado e desligam quando a temperatura necessária é ajustada.

Para aquecimento, você pode usar caldeiras a gás, realize aquecimento direto com aquecedores elétricos ou integre um elemento de aquecimento na base do tanque.

Para reduzir a perda de calor, é recomendável construir uma pequena estrutura ao redor do reator com uma camada de lã de vidro ou cobrir a instalação com isolamento térmico. Possui boas propriedades de isolamento térmico. espuma de poliestireno e suas outras variedades.

Para equipar um sistema de aquecimento de biomassa, é possível extrair uma tubulação do aquecimento da casa, que é alimentado por um reator

Determinação do volume necessário

O volume do reator é determinado com base na quantidade diária de estrume produzido na fazenda. Também é necessário considerar o tipo de matéria-prima, a temperatura e o tempo de fermentação. Para que a instalação funcione totalmente, o tanque é abastecido com 85-90% do volume, pelo menos 10% deve permanecer livre para que o gás escape.

O processo de decomposição dos orgânicos em uma instalação mesofílica a uma temperatura média de 35 graus dura 12 dias, após o qual os resíduos fermentados são removidos e o reator é preenchido com uma nova porção do substrato. Como os resíduos são diluídos em água até 90% antes de serem enviados ao reator, a quantidade de líquido também deve ser levada em consideração na determinação da carga diária.

Com base nos indicadores acima, o volume do reator será igual à quantidade diária do substrato preparado (esterco com água) multiplicado por 12 (o tempo necessário para a decomposição da biomassa) e aumentado em 10% (volume do tanque livre).

Construção subterrânea

Agora vamos falar sobre a instalação mais simples que permite obter biogás em casa ao menor custo. Considere a construção de um sistema subterrâneo.Para isso, é necessário cavar um buraco, a base e as paredes são despejadas com concreto de argila expandida reforçada.

Nos lados opostos da câmara, as aberturas de entrada e saída são inseridas, onde são montados tubos inclinados para fornecer o substrato e bombear a massa gasta.

O tubo de saída com um diâmetro de cerca de 7 cm deve estar quase no fundo da tremonha, sua outra extremidade é montada em um recipiente de compensação de forma retangular, no qual os resíduos serão bombeados. A tubulação para suprir o substrato está localizada a aproximadamente 50 cm do fundo e tem um diâmetro de 25 a 35 cm.A parte superior do tubo entra no compartimento para receber matérias-primas.

O reator deve ser completamente selado. Para excluir a possibilidade de entrada de ar, o recipiente deve ser coberto com uma camada de impermeabilização de betume

A parte superior da tremonha é um suporte de gás com uma cúpula ou formato cônico. É feito de chapas de metal ou ferro de cobertura. Também é possível concluir a construção com alvenaria, que é então coberta com malha de aço e rebocada. Na parte superior do tanque de gás, é necessário fazer uma escotilha selada, remover o tubo de gás que passa pelo lacre de água e instalar uma válvula para aliviar a pressão do gás.

Para misturar o substrato, é possível equipar a instalação com um sistema de drenagem operando com o princípio de aspersão. Para fazer isso, aperte verticalmente os tubos de plástico dentro da estrutura para que sua borda superior seja mais alta que a camada de substrato. Faça muitos buracos neles. O gás sob pressão cai e, subindo, as bolhas de gás misturam a biomassa no tanque.

Se você não deseja construir um bunker de concreto, pode comprar um recipiente de PVC pronto. Para manter o calor, ele deve ser circundado por uma camada de isolamento térmico - espuma de poliestireno. O fundo do poço é despejado com concreto reforçado com uma camada de 10 cm, podendo ser utilizados tanques de cloreto de polivinila se o volume do reator não exceder 3 m3.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Como fazer a instalação mais simples a partir de um barril comum, você aprenderá se assistir ao vídeo:

Como é a construção de um reator subterrâneo, você pode ver no vídeo:

Como o estrume é carregado na instalação subterrânea é mostrado no vídeo a seguir:

Uma planta para a produção de biogás a partir de esterco economiza significativamente no pagamento de calor e eletricidade e põe em bom trabalho material orgânico, que é abundante em todas as fazendas. Antes de iniciar a construção, é necessário calcular e preparar cuidadosamente tudo.

O reator mais simples pode ser fabricado em poucos dias com suas próprias mãos, usando ferramentas improvisadas. Se a fazenda for grande, é melhor comprar uma instalação pronta ou consultar um especialista.

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