Cómo producir biogás a partir de estiércol: una descripción general de los principios básicos y el diseño de una planta de producción

Los agricultores se enfrentan anualmente al problema de la eliminación del estiércol.Se desperdician los considerables fondos necesarios para organizar su traslado y entierro. Pero existe una manera que te permite no sólo ahorrar tu dinero, sino también hacer que este producto natural te sirva para tu beneficio.

Los propietarios ahorrativos llevan mucho tiempo poniendo en práctica la ecotecnología que permite obtener biogás del estiércol y utilizar el resultado como combustible.

Por eso, en nuestro material hablaremos sobre la tecnología para producir biogás, y también hablaremos sobre cómo construir una planta de bioenergía.

Ventajas de utilizar la biotecnología

Tecnología obtención de biocombustible de diversas fuentes naturales no es nueva. Las investigaciones en este ámbito comenzaron a finales del siglo XVIII y se desarrollaron con éxito en el siglo XIX. En la Unión Soviética, la primera planta de bioenergía se creó en los años cuarenta del siglo pasado.

Las biotecnologías se utilizan desde hace mucho tiempo en muchos países, pero hoy están adquiriendo especial importancia. Debido al deterioro de la situación medioambiental del planeta y al elevado coste de la energía, muchos están dirigiendo su atención a fuentes alternativas de energía y calor.

La tecnología de transformación del estiércol en biogás permite reducir la cantidad de emisiones nocivas de metano a la atmósfera y obtener una fuente adicional de energía térmica.

Por supuesto, el estiércol es un fertilizante muy valioso y, si hay dos vacas en la granja, no hay problemas con su uso. Otra cosa es cuando se trata de explotaciones con ganado grande y mediano, donde al año se generan toneladas de material biológico maloliente y en descomposición.

Para que el estiércol se convierta en fertilizante de alta calidad, se necesitan áreas con un cierto régimen de temperatura, y esto es un gasto adicional. Por eso, muchos agricultores lo almacenan donde pueden y luego lo llevan al campo.

Dependiendo del volumen de materia prima generada por día se deben seleccionar las dimensiones de la instalación y el grado de automatización de la misma.

Si no se cumplen las condiciones de almacenamiento, hasta el 40% del nitrógeno y la mayor parte del fósforo se evaporan del estiércol, lo que empeora significativamente sus indicadores de calidad. Además, se libera gas metano a la atmósfera, lo que tiene un impacto negativo en la situación medioambiental del planeta.

Las biotecnologías modernas permiten no sólo neutralizar los efectos nocivos del metano en el medio ambiente, sino también ponerlo en beneficio de las personas, obteniendo al mismo tiempo considerables beneficios económicos. Como resultado procesar estiércol produce biogás, de donde se pueden obtener miles de kW de energía, y los residuos de producción representan un fertilizante anaeróbico muy valioso.

Mecanismo de formación de gas a partir de materias primas orgánicas.

El biogás es una sustancia volátil, incolora y sin olor, que contiene hasta un 70% de metano. En cuanto a sus indicadores de calidad, se acerca al tipo de combustible tradicional: el gas natural. Tiene un buen poder calorífico, 1m.³ El biogás produce tanto calor como el que se produce al quemar un kilo y medio de carbón.

La formación de biogás se debe a las bacterias anaeróbicas, que trabajan activamente para descomponer las materias primas orgánicas, entre las que se incluyen el estiércol de animales de granja, los excrementos de pájaros y cualquier residuo vegetal.

En la autoproducción de biogás se pueden utilizar excrementos de pájaros y productos de desecho del ganado menor y mayor. Las materias primas se pueden utilizar en forma pura o en forma de mezclas que incluyan hierba, follaje y papel viejo.

Para activar el proceso, es necesario crear condiciones favorables para la vida de las bacterias. Deben ser similares a aquellos en los que los microorganismos se desarrollan en un reservorio natural: el estómago de los animales, donde hace calor y no hay oxígeno.

En realidad, estas son las dos condiciones principales que contribuyen a la milagrosa transformación del estiércol podrido en combustible ecológico y valiosos fertilizantes.

Para producir biogás se necesita un reactor sellado sin acceso al aire, donde se llevará a cabo el proceso de fermentación del estiércol y su descomposición en componentes:

• metano (hasta 70%);
• dióxido de carbono (aproximadamente 30%);
• otras sustancias gaseosas (1-2%).

Los gases resultantes suben a la parte superior del contenedor, desde donde luego se bombean, y se deposita el producto residual: un fertilizante orgánico de alta calidad que, como resultado del procesamiento, retiene todas las sustancias valiosas presentes en el estiércol. - nitrógeno y fósforo, y ha perdido una parte importante de microorganismos patógenos.

El reactor para producir biogás debe tener un diseño completamente sellado, sin oxígeno, de lo contrario el proceso de descomposición del estiércol será extremadamente lento.

La segunda condición importante para la descomposición eficaz del estiércol y la formación de biogás es el cumplimiento del régimen de temperatura. Las bacterias que participan en el proceso se activan a temperaturas de +30 grados.

Además, el estiércol contiene dos tipos de bacterias:

• mesófilo. Su actividad vital ocurre a una temperatura de +30 – +40 grados;
• termofílico. Para reproducirlos, es necesario mantener un régimen de temperatura de +50 (+60) grados.

El tiempo de procesamiento de materias primas en instalaciones del primer tipo depende de la composición de la mezcla y oscila entre 12 y 30 días. Al mismo tiempo, de 1 litro de superficie útil del reactor se obtienen 2 litros de biocombustible. Cuando se utilizan instalaciones del segundo tipo, el tiempo de producción del producto final se reduce a tres días y la cantidad de biogás aumenta a 4,5 litros.

La eficiencia de las plantas termofílicas es visible a simple vista, sin embargo, el costo de su mantenimiento es muy alto, por lo que antes de elegir uno u otro método de producción de biogás, es necesario calcular todo con mucho cuidado.

A pesar de que la eficiencia de las plantas termofílicas es decenas de veces mayor, se utilizan con mucha menos frecuencia, ya que mantener altas temperaturas en el reactor conlleva elevados costes.

El mantenimiento y mantenimiento de las plantas de tipo mesófilo es más económico, por lo que la mayoría de granjas las utilizan para producir biogás.

En términos de potencial energético, el biogás es ligeramente inferior al combustible gaseoso convencional. Sin embargo, contiene vapores de ácido sulfúrico, cuya presencia debe tenerse en cuenta a la hora de elegir los materiales para la construcción de la instalación.

Cálculos de la eficiencia del uso del biogás.

Cálculos sencillos le ayudarán a evaluar todos los beneficios del uso de biocombustibles alternativos. Una vaca que pesa 500 kg produce aproximadamente entre 35 y 40 kg de estiércol al día. Esta cantidad es suficiente para obtener aproximadamente 1,5 m.³ biogás, con el que se pueden generar 3 kW/h de electricidad.

Usando los datos de la tabla, es fácil calcular cuántos m³ El biogás se puede obtener en la salida de acuerdo con la cantidad de ganado disponible en la granja.

Para obtener biocombustible se puede utilizar un tipo de materia prima orgánica o mezclas de varios componentes con una humedad del 85-90%. Es importante que no contengan impurezas químicas extrañas que afecten negativamente el proceso de procesamiento.

La receta más sencilla de la mezcla fue inventada en el año 2000 por un ruso de la región de Lipetsk, que construyó con sus propias manos una sencilla instalación para producir biogás.Mezcló 1.500 kg de estiércol de vaca con 3.500 kg de diversos desechos vegetales, añadió agua (aproximadamente el 65% del peso de todos los ingredientes) y calentó la mezcla a 35 grados.

En dos semanas, el combustible gratuito estará listo. Esta pequeña instalación produjo 40 m³ gas al día, suficiente para calentar la casa y las dependencias durante seis meses.

Opciones para plantas de producción de biocombustibles

Después de realizar los cálculos, deberás decidir cómo realizar la instalación para obtener biogás acorde a las necesidades de tu explotación. Si la cantidad de ganado es pequeña, entonces es adecuada la opción más simple, que es fácil de hacer con sus propias manos con los materiales disponibles.

Para granjas grandes que tienen una fuente constante de grandes cantidades de materias primas, es aconsejable construir un sistema industrial automatizado de biogás. En este caso, es poco probable que sea posible prescindir de la participación de especialistas que desarrollarán el proyecto e instalarán la instalación a nivel profesional.

El diagrama muestra claramente cómo funciona un complejo industrial automatizado para la producción de biogás. Se puede organizar una construcción de esta escala para varias granjas ubicadas cerca

Hoy en día existen decenas de empresas que pueden ofrecer muchas opciones: desde soluciones listas para usar hasta el desarrollo de un proyecto individual. Para reducir el coste de construcción, puedes cooperar con las granjas vecinas (si las hay cerca) y construir una instalación para producir biogás para todas ellas.

Cabe señalar que para construir incluso una instalación pequeña, es necesario redactar los documentos pertinentes, elaborar un diagrama tecnológico, un plano para la ubicación del equipo y la ventilación (si el equipo está instalado en el interior) y pasar por los procedimientos de aprobación. con el SES, inspección de incendios y gases.

Se puede realizar una miniplanta de producción de gas con sus propias manos para cubrir las necesidades de un pequeño hogar privado, centrándose en el diseño y diseño específico de las instalaciones producidas a escala industrial.

Los diseños de instalaciones para procesar estiércol y materia orgánica vegetal en biogás no son complicados. El original producido por la industria es muy adecuado como modelo para construir su propia minifábrica.

Los artesanos independientes que decidan construir su propia instalación deben abastecerse de un recipiente con agua, tuberías de plástico para suministro de agua o alcantarillado, codos de esquina, juntas y un cilindro para almacenar el gas producido en la instalación.

Características del sistema de biogás.

Una planta de biogás completa es un sistema complejo que consta de:

1. Biorreactor, donde se produce el proceso de descomposición del estiércol;
2. Sistema automatizado de suministro de residuos orgánicos;
3. Dispositivos de mezcla de biomasa;
4. Equipos para mantener condiciones óptimas de temperatura;
5. Tanques de gas – tanques de almacenamiento de gas;
6. Receptor de residuos sólidos.

Todos los elementos anteriores se instalan en instalaciones industriales que funcionan en modo automático. Los reactores domésticos suelen tener un diseño más simplificado.

El diagrama muestra los componentes principales de un sistema de biogás automatizado.El volumen del reactor depende del consumo diario de materias primas orgánicas. Para que la instalación funcione plenamente es necesario llenar el reactor hasta dos tercios de su volumen.

Principio de funcionamiento de la instalación.

El elemento principal del sistema es el biorreactor. Existen varias opciones para su implementación, lo principal es asegurar la estanqueidad de la estructura y evitar la entrada de oxígeno. Puede tener la forma de un recipiente metálico de varias formas (generalmente cilíndrico), ubicado en la superficie. A menudo se utilizan para estos fines depósitos de combustible vacíos de 50 cc.

Puede comprar contenedores plegables ya preparados. Su ventaja es la posibilidad de desmontarlos rápidamente y, si es necesario, transportarlos a otro lugar. Es aconsejable el uso de instalaciones industriales de superficie en explotaciones de gran tamaño donde exista un ingreso constante de grandes cantidades de materias primas orgánicas.

Para pequeñas granjas, la opción de colocación subterránea del tanque es más adecuada. Un búnker subterráneo se construye con ladrillo u hormigón. Puede enterrar en el suelo contenedores ya preparados, por ejemplo, barriles de metal, acero inoxidable o PVC. También es posible colocarlos superficialmente en la calle o en una habitación especialmente designada y con buena ventilación.

Para fabricar una planta de producción de biogás, puede comprar contenedores de PVC ya preparados e instalarlos en una habitación equipada con un sistema de ventilación.

Independientemente de dónde y cómo esté ubicado el reactor, está equipado con un depósito para cargar estiércol. Antes de cargar la materia prima, se debe realizar una preparación preliminar: se tritura en fracciones de no más de 0,7 mm y se diluye con agua. Lo ideal es que la humedad del sustrato sea de aproximadamente el 90%.

Las instalaciones automatizadas de tipo industrial están equipadas con un sistema de suministro de materia prima, que incluye un receptor en el que la mezcla se lleva al nivel de humedad requerido, una tubería de suministro de agua y una unidad de bombeo para bombear la masa al biorreactor.

En las instalaciones domiciliarias para la preparación del sustrato se utilizan contenedores separados donde se trituran los residuos y se mezclan con agua. Luego la masa se carga en el compartimento receptor. En los reactores ubicados bajo tierra, se saca la tolva para recibir el sustrato y la mezcla preparada fluye por gravedad a través de una tubería hacia la cámara de fermentación.

Si el reactor está ubicado en el suelo o en el interior, el tubo de entrada con el dispositivo receptor puede ubicarse en la parte inferior del tanque. También es posible llevar el tubo a la parte superior y colocarle un casquillo en el cuello. En este caso, la biomasa deberá suministrarse mediante una bomba.

También es necesario prever un orificio de salida en el biorreactor, que se realiza casi en el fondo del recipiente en el lado opuesto a la tolva de entrada. Cuando se coloca bajo tierra, el tubo de salida se instala oblicuamente hacia arriba y conduce a un recipiente para residuos con forma de caja rectangular. Su borde superior debe estar por debajo del nivel de la entrada.

Los tubos de entrada y salida están ubicados oblicuamente hacia arriba en diferentes lados del tanque, mientras que el tanque de compensación al que ingresan los residuos debe estar debajo de la tolva receptora.

El proceso se desarrolla de la siguiente manera: la tolva de entrada recibe un nuevo lote de sustrato, que fluye hacia el reactor, al mismo tiempo la misma cantidad de masa residual sube a través de una tubería al receptor de residuos, desde donde posteriormente se extrae y se utiliza. como biofertilizante de alta calidad.

El biogás se almacena en un tanque de gas. La mayoría de las veces está ubicado directamente en el techo del reactor y tiene forma de cúpula o cono. Está hecho de hierro para tejados y luego, para evitar procesos de corrosión, se pinta con varias capas de pintura al óleo.

En las instalaciones industriales diseñadas para producir grandes cantidades de gas, el tanque de gas a menudo se construye en forma de un tanque separado conectado al reactor por una tubería.

El gas producido por la fermentación no es adecuado para su uso porque contiene una gran cantidad de vapor de agua y no se quemará en esta forma. Para purificarlo de las fracciones de agua, el gas pasa a través de un sello de agua. Para ello, se retira una tubería del tanque de gas, a través de la cual el biogás ingresa a un recipiente con agua, y desde allí se suministra a los consumidores a través de una tubería de plástico o metal.

Esquema de instalación ubicada bajo tierra. Las aberturas de entrada y salida deben ubicarse en lados opuestos del contenedor. Hay un sello de agua encima del reactor a través del cual se hace pasar el gas resultante para que se seque.

En algunos casos se utilizan bolsas portagas especiales hechas de cloruro de polivinilo para almacenar el gas. Las bolsas se colocan junto a la instalación y se van llenando progresivamente de gas.A medida que se llenan, el material elástico se infla y el volumen de las bolsas aumenta, lo que permite almacenar temporalmente más producto final si es necesario.

Condiciones para el funcionamiento eficiente de un biorreactor.

Para un funcionamiento eficiente de la instalación y una liberación intensiva de biogás, es necesaria una fermentación uniforme del sustrato orgánico. La mezcla debe estar en constante movimiento. De lo contrario, se forma una costra, el proceso de descomposición se ralentiza y, como resultado, se produce menos gas del calculado inicialmente.

Para garantizar una mezcla activa de la biomasa, en la parte superior o lateral de un reactor típico se instalan mezcladores sumergibles o inclinados equipados con un accionamiento eléctrico. En las instalaciones caseras, la mezcla se realiza mecánicamente mediante un dispositivo parecido a una batidora doméstica. Puede controlarse manualmente o equiparse con un accionamiento eléctrico.

Cuando el reactor está colocado verticalmente, el mango del agitador se sitúa en la parte superior de la instalación. Si el contenedor se instala horizontalmente, el sinfín también se ubica en un plano horizontal y el asa se ubica en el costado del biorreactor.

Una de las condiciones más importantes para producir biogás es mantener la temperatura requerida en el reactor. El calentamiento se puede lograr de varias maneras. En instalaciones estacionarias se utilizan sistemas de calefacción automatizados, que se encienden cuando la temperatura desciende por debajo de un nivel predeterminado y se apagan cuando se alcanza la temperatura requerida.

Se puede utilizar para calentar calderas de gas, realice un calentamiento directo con dispositivos calefactores eléctricos o incorpore un elemento calefactor en la base del recipiente.

Para reducir la pérdida de calor, se recomienda construir un pequeño marco alrededor del reactor con una capa de lana de vidrio o cubrir la instalación con aislamiento térmico. Tiene buenas propiedades de aislamiento térmico. poliestireno expandido y sus demás variedades.

Para instalar un sistema de calefacción de biomasa, se puede tender una tubería desde el sistema de calefacción de la casa, que funciona con el reactor.

Determinando el volumen requerido

El volumen del reactor se determina en función de la cantidad diaria de estiércol producida en la explotación. También hay que tener en cuenta el tipo de materia prima, temperatura y tiempo de fermentación. Para el pleno funcionamiento de la instalación se llena el contenedor al 85-90% del volumen, debe quedar libre al menos un 10% para que pueda salir el gas.

El proceso de descomposición de la materia orgánica en una instalación mesófila a una temperatura media de 35 grados dura 12 días, tras los cuales se eliminan los residuos fermentados y se llena el reactor con una nueva porción del sustrato. Dado que los residuos se diluyen con agua hasta un 90% antes de enviarlos al reactor, la cantidad de líquido también debe tenerse en cuenta a la hora de determinar la carga diaria.

Según estos indicadores, el volumen del reactor será igual a la cantidad diaria de sustrato preparado (estiércol con agua) multiplicada por 12 (el tiempo necesario para la descomposición de la biomasa) y aumentada en un 10% (volumen libre del contenedor).

Construcción de una estructura subterránea.

Ahora hablemos de la instalación más sencilla que le permite obtener biogás en casa al menor costo. Considere la posibilidad de construir un sistema subterráneo. Para hacerlo, es necesario cavar un hoyo, su base y paredes se rellenan con hormigón armado de arcilla expandida.

Las aberturas de entrada y salida están ubicadas en lados opuestos de la cámara, donde se montan tuberías inclinadas para suministrar el sustrato y bombear la masa residual.

El tubo de salida con un diámetro de aproximadamente 7 cm debe ubicarse casi en el fondo del búnker, su otro extremo está montado en un tanque de compensación rectangular al que se bombearán los desechos. La tubería de suministro del sustrato se encuentra a unos 50 cm del fondo y tiene un diámetro de 25-35 cm, la parte superior de la tubería desemboca en el compartimento de recepción de materias primas.

El reactor debe estar completamente sellado. Para excluir la posibilidad de entrada de aire, el contenedor debe cubrirse con una capa de impermeabilización bituminosa.

La parte superior del búnker es un depósito de gas, que tiene forma de cúpula o cono. Está hecho de láminas de metal o hierro para tejados. También se puede completar la estructura con mampostería, que luego se cubre con malla de acero y se enluci. Debe hacer una trampilla sellada en la parte superior del tanque de gasolina, quitar la tubería de gas que pasa a través del sello de agua e instalar una válvula para aliviar la presión del gas.

Para mezclar el sustrato, puede equipar la instalación con un sistema de drenaje que funcione según el principio de burbujeo. Para hacer esto, fije verticalmente los tubos de plástico dentro de la estructura de modo que su borde superior quede por encima de la capa de sustrato. Haz muchos agujeros en ellos. El gas bajo presión caerá y, al subir, las burbujas de gas mezclarán la biomasa en el recipiente.

Si no desea construir un búnker de hormigón, puede comprar un contenedor de PVC ya preparado. Para conservar el calor, debe estar rodeado por una capa de aislamiento térmico: espuma de poliestireno. El fondo del pozo se rellena con una capa de hormigón armado de 10 cm.Se pueden utilizar tanques de cloruro de polivinilo si el volumen del reactor no supera los 3 m3.

Conclusiones y vídeo útil sobre el tema.

Aprenderá cómo realizar la instalación más sencilla a partir de un barril normal si mira el vídeo:

Puedes ver cómo se desarrolla la construcción de un reactor subterráneo en el vídeo:

En el siguiente vídeo se muestra cómo se carga el estiércol en una instalación subterránea:

Una instalación para producir biogás a partir de estiércol le permitirá ahorrar significativamente en costos de calefacción y electricidad y utilizar material orgánico, que está disponible en abundancia en cada granja, para una buena causa. Antes de comenzar la construcción, todo debe calcularse y prepararse cuidadosamente.

El reactor más simple se puede fabricar con sus propias manos en unos días utilizando los materiales disponibles. Si la finca es grande, lo mejor es comprar una instalación ya preparada o contactar a especialistas.

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