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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Plantas de biogás. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía Tipos comunes de plantas de biogás Los tipos de plantas de biogás comunes en el mundo se clasifican según los métodos de carga de materias primas, los métodos de recolección de biogás, los materiales utilizados para su construcción, el uso de dispositivos adicionales, la ubicación horizontal o vertical del reactor, subterráneo o estructuras sobre el suelo. Métodos de descarga Se pueden distinguir dos tipos diferentes de plantas de biogás según el método de carga de materias primas:
Métodos de recolección de biogás La apariencia de las plantas de biogás depende del método de recolección de biogás elegido.
Las instalaciones del cilindro son una bolsa de plástico o goma resistente al calor (cilindro) en la que se combinan un reactor y un tanque de gas. Las tuberías para la carga y descarga de materias primas están unidas directamente al plástico del reactor. La presión del gas se logra debido a la extensibilidad de la bolsa y debido a la carga adicional que cae sobre la bolsa. Las ventajas de tal instalación son bajo costo, facilidad de movimiento, simplicidad de diseño, alta temperatura de fermentación para el régimen psicofílico, facilidad de limpieza del reactor, carga y descarga de materias primas. Las desventajas de una instalación de este tipo son un período corto de operación (2 a 5 años), una alta susceptibilidad a las influencias externas y una baja posibilidad de crear puestos de trabajo adicionales.
Una variante de las instalaciones de globos son las instalaciones tipo canal, que suelen estar recubiertas de plástico y protegidas de la luz solar directa. Este tipo de instalaciones se utilizan a menudo en los países desarrollados, especialmente en el tratamiento de aguas residuales. Se puede recomendar el uso de unidades de techo blando cuando hay pocas posibilidades de que se dañe la camisa de goma del reactor y cuando la temperatura ambiente es suficientemente alta. Las plantas de domo fijo consisten en un reactor abovedado cerrado y un tanque de descarga, también conocido como tanque de compensación. El gas se recoge en la parte superior del reactor, la cúpula. Cuando se carga la siguiente porción de materia prima, la materia prima procesada se empuja hacia el tanque de compensación. Con un aumento en la presión del gas, aumenta el nivel de materias primas procesadas en el tanque de compensación. Las instalaciones chinas de domo fijo son el tipo más común de todas estas instalaciones. Más de 12 millones de estas unidades se han construido y están en funcionamiento en China. El uso de gas en electrodomésticos se complica por los cambios en la presión del gas. Los quemadores y otros electrodomésticos son casi imposibles de ajustar para un rendimiento óptimo. Si se requiere una presión de gas constante, se recomienda instalar un regulador de presión en el reactor o elegir otro diseño de planta. Los reactores de domo fijo suelen ser tanques de ladrillo u hormigón. Estas instalaciones están cubiertas de tierra hasta arriba, llenas de gas para contener la presión interna (hasta 0,15 bar). Por razones económicas, el tamaño mínimo recomendado del reactor es de 5 m3. Tales instalaciones son conocidas con volúmenes de reactor de hasta 200 m3. El gasómetro es la parte superior de la instalación de cúpula fija (el lugar donde se recoge el gas) que debe ser sellada. La mampostería y el hormigón no son herméticos, por lo que esta parte de la instalación debe cubrirse con una capa de una sustancia impermeable a los gases (látex, pinturas sintéticas). Una oportunidad para reducir el riesgo de grietas en el tanque de gas es la construcción de un anillo débil en la mampostería del reactor. Dicho anillo es una conexión elástica entre la parte inferior (hermética al agua) y la superior (hermética al gas) de la estructura hemisférica de la instalación. Evita la propagación de grietas por presión hidrostática en las partes inferiores del reactor a la parte superior del depósito de gas.
Las plantas de domo flotante generalmente consisten en un reactor subterráneo y un tanque de gas móvil. El depósito de gas flota directamente en la materia prima o en una bolsa de agua especial. El gas se almacena en el tanque de gasolina, que sube o baja dependiendo de la presión del gas. El tanque de gasolina está sostenido por un marco especial de zozobra. Si el tanque de gasolina flota en una bolsa de agua especial, está protegido contra volcaduras. Las ventajas de este diseño son la facilidad de las operaciones diarias, la facilidad de determinar el volumen de gas a partir de la altura a la que se ha elevado el depósito de gas. La presión del gas es constante y está determinada por el peso del depósito de gas. La construcción de una planta de domo flotante no es difícil y los errores de diseño generalmente no conducen a problemas importantes de producción de gas. Las desventajas de este diseño son el alto costo del reactor de acero y la alta sensibilidad del hierro a la corrosión. Por lo tanto, las instalaciones de domo flotante tienen una vida útil más corta que las instalaciones de techo fijo. En el pasado, las instalaciones de domos flotantes se construían principalmente en la India. Tales instalaciones consisten en un reactor de hormigón o ladrillo cilíndrico o abovedado y un tanque de gas flotante. El tanque de gasolina flota en una bolsa de agua especial o directamente en la materia prima y tiene un marco interno o externo que brinda estabilidad y mantiene el tanque de gasolina en posición vertical. Cuando se produce biogás, el soporte de gas flota más alto, cuando se usa gas, se baja. Estas instalaciones se utilizan principalmente para el procesamiento de estiércol, desechos orgánicos y heces en un modo constante, es decir, descarga diaria. La mayoría de las veces se construyen en granjas medianas (reactor: 5-15 m3) o en grandes complejos agroindustriales (reactor: 20100 m3). Instalaciones horizontales y verticales La elección de la ubicación del reactor de la planta depende del método de carga y la disponibilidad de territorio libre en la granja. Las instalaciones horizontales se eligen para un método continuo de carga de materias primas y si hay suficiente espacio. Las instalaciones verticales son más adecuadas para la carga por lotes de materias primas y se utilizan si es necesario para reducir el espacio ocupado por el reactor. Instalaciones subterráneas y de superficie La topografía debe tenerse en cuenta al elegir la ubicación de una planta y utilizarse para optimizar el rendimiento de la planta. Por ejemplo, es muy conveniente colocar la instalación en pendiente para que la boca de alimentación sea lo suficientemente baja, la materia prima en el reactor se desplaza con una ligera inclinación hacia la boca de descarga, que quedaría a poca altura para facilitar la carga. en vehículos. Otro factor a tener en cuenta a la hora de elegir una planta es la mejora del aislamiento térmico de las instalaciones subterráneas, incluido el débil efecto de los cambios diarios de temperatura en el proceso de fermentación de las materias primas, ya que la temperatura del suelo a más de 1 metro de profundidad no cambiar mucho Reactores de metal, hormigón y ladrillo. Las instalaciones se pueden distinguir por los materiales de los que está hecho el reactor. Los reactores de hormigón suelen construirse bajo tierra. El reactor de hormigón tiene forma cilíndrica y se pueden fabricar unidades pequeñas (hasta 6 m3) sobre una base transportadora. Se requieren medidas especiales para sellar el reactor. Ventajas: Bajos costos de construcción y materiales, posible producción en masa. Inconvenientes: Gran consumo de hormigón de buena calidad, necesidad de constructores cualificados y gran cantidad de tela metálica, relativa novedad y diseño, necesidad de medidas especiales para asegurar la estanqueidad del depósito de gas.
Los reactores de ladrillo están construidos para instalaciones subterráneas con tanque de gas fijo o flotante y tienen forma redondeada. Ventajas: Baja inversión inicial y larga vida, sin piezas móviles ni oxidadas, diseño compacto, ahorro de espacio y bien aislado, la construcción crea empleo local. La ubicación subterránea permite reducir el área ocupada por la instalación y protege al reactor de cambios bruscos de temperatura. Desventajas: el tanque de gas de ladrillo requiere revestimientos especiales para garantizar la hermeticidad y la alta mano de obra, a menudo se producen fugas de gas, el funcionamiento de la planta está mal controlado debido a la ubicación subterránea, la instalación requiere un cálculo cuidadoso de los niveles de construcción, el calentamiento de las materias primas en el reactor es muy difícil y costoso para implementar. Por lo tanto, las instalaciones de ladrillo solo pueden recomendarse para su uso en países cálidos con personal calificado. Los reactores metálicos son aptos para todo tipo de instalaciones, son estancos, soportan altas presiones y son de fácil fabricación. A menudo se pueden utilizar contenedores existentes. Pero el metal es relativamente caro y requiere mantenimiento para evitar la oxidación. Dispositivos adicionales Como ejemplo del uso de dispositivos adicionales, podemos considerar el diseño de una planta de biogás típica de los países desarrollados. El recipiente para mezclar materias primas puede ser de diferentes tamaños y formas, dependiendo de las materias primas. Normalmente, el contenedor contiene hélices para mezclar o moler la materia prima y una bomba para cargar la materia prima en el reactor. A veces, se instalan dispositivos para precalentar la materia prima para evitar la ralentización del proceso de fermentación de la materia prima en el reactor. El reactor suele estar aislado térmicamente y construido en hormigón o acero. Para optimizar el flujo de materias primas, los grandes reactores tienen una forma alargada. La materia prima se mezcla mediante rotores de movimiento lento o biogás. Hay instalaciones formadas por dos o más reactores. El contenedor de gas está hecho de material flexible y está ubicado sobre la vasija del reactor, o está hecho de acero y está ubicado al lado del reactor. El almacenamiento se utiliza para almacenar biofertilizantes en invierno y puede estar abierto o cerrado y conectado a un depósito de gas para recolectar biogás residual. Los biofertilizantes se mezclan antes de aplicarlos a los campos. Plantas de biogás en Kirguistán A partir de 2010, hay más de 50 instalaciones en Kirguistán, de las cuales, lamentablemente, solo el 70 % están funcionando. Todas las instalaciones construidas en Kirguistán se pueden dividir en 4 tipos según el método de mezcla y carga de materias primas, la presencia de un sistema de calefacción y aislamiento. Una característica común de todas las instalaciones es un reactor de acero, generalmente un contenedor usado para almacenar productos petrolíferos o agua, tanques de ferrocarril. Unidades sin calefacción y aislamiento con mezcla manual de materias primas distribuidos en las regiones de Naryn, Talas e Issyk-Kul. El recipiente para mezclar las materias primas suele ser un barril en el que se diluyen las materias primas con agua. El reactor no está aislado y está hecho de tanques de acero. Debido a la falta de aislamiento y calefacción del reactor, las plantas operan en modo psicofílico durante la estación cálida. Las materias primas se cargan en el reactor por el método de lotes, con una frecuencia de 2 o más veces al año de forma manual.
La carga y descarga de materias primas está plagada de dificultades debido al diseño mal concebido de la planta. La materia prima se mezcla manualmente una vez al día mediante un agitador instalado en el reactor. El gas se suele utilizar directamente para cocinar. Ejemplo 1: Un ejemplo de tal planta es la planta de biogás de Duishenov Farhat en el pueblo. Kyzyl-Charba, región de Talas de Kirguistán (Figura 18.1). La planta fue construida con fondos de donación del FMAM del PNUD en 2003 para producir biogás para calefacción y cocina y para obtener fertilizantes orgánicos líquidos a partir del estiércol de 2 granjas de ganado vacuno, ovino y avícola de granjas vecinas. La planta consta de un reactor sobre tierra sin calentar con un volumen de 5 m3 con carga, descarga y mezcla manual de materias primas. Después de la instalación en la primavera de 2003, la planta se cargó con 3 toneladas de materias primas y se operó en modo psicofílico durante los meses de verano. El biogás en el verano solo era suficiente para cocinar. La descarga y carga de materias primas no se realiza desde el año 2003. Los defectos de diseño incluyen la imperfección del sistema de mezcla manual, inconvenientes extremos de carga y descarga de materias primas. La falta de aislamiento y calefacción del reactor hace que la instalación no sea adecuada para un funcionamiento eficiente durante todo el año y económicamente no rentable.
La ausencia de un dispositivo de seguridad en el reactor puede provocar la rotura del reactor por sobrepresión. No existe un manual de operación para la instalación, y no se ha llevado a cabo la capacitación del personal operativo. Plantas con calefacción y aislamiento y mezcla manual de materias primas. se encuentran en la región de Issyk-Kul de Kirguistán. El recipiente para mezclar materias primas suele ser un barril en el que las materias primas se diluyen manualmente con agua. El reactor está aislado y calentado a temperaturas mesófilas o termófilas mediante un sistema de calentamiento eléctrico que calienta el agua que circula por las tuberías del reactor. La materia prima se carga en el reactor de forma continua y se mezcla manualmente una vez al día mediante un agitador instalado en el reactor. El gas generalmente se usa directamente para cocinar o se recolecta en un tanque de gas separado. El almacenamiento se utiliza para almacenar fertilizante antes de que se aplique a los campos. Ejemplo 2: Un ejemplo de tal planta es la planta Mamunov Kamyl en Karakol, Issyk-Kul Oblast, Kirguistán. La planta consta de un reactor subterráneo calentado con un volumen de 5 m3 con carga, descarga y mezcla manual de materias primas. La planta fue construida en 2004 por cuenta propia para producir biogás para calefacción y electrodomésticos y fertilizantes orgánicos líquidos y procesa el estiércol de 12 cabezas de ganado de una finca vecina.
Después de la instalación en la primavera de 2004, la unidad funciona en la granja en modo termofílico. La planta se cargaba semanalmente y el biogás producido se utilizaba para cocinar. El fertilizante descargado se usó para fertilizar la parcela de tierra agotada para papas, se obtuvieron buenos resultados de rendimiento. Se recomienda refinar el diseño de carga y descarga de materias primas y cambiar el diseño del sistema de calefacción para utilizar el biogás producido por la planta. Tales instalaciones están adaptadas para la explotación durante todo el año en las condiciones de Kirguizistán. Plantas con calentamiento y aislamiento del reactor y mezcla neumática de materias primas Distribuido en la región de Chui de Kirguistán. El recipiente para mezclar materias primas puede ser de diferentes tamaños y formas, dependiendo de las materias primas. La materia prima se diluye con agua tibia para evitar la ralentización del proceso de procesamiento de la materia prima en el reactor. El reactor está aislado y hecho de tanques de acero. La materia prima se mezcla neumáticamente y se calienta a temperatura mesófila o termófila. Hay instalaciones formadas por dos o más reactores. El gas generalmente se recolecta en un tanque de gas independiente, que también suele ser un tanque de acero. El gas se utiliza para calentar espacios y cocinar. El almacenamiento se utiliza para almacenar biofertilizante. Ejemplo 3: Un ejemplo de tal instalación es la instalación de Zarya jamaat en el pueblo de. Distrito de Teploklyuchenka Ak-Suu, región de Issyk-Kul de Kirguistán fig.21. Esta planta fue construida en 2010 como parte de un proyecto de la Comisión Europea para la introducción de tecnologías de microhidroelectricidad y biogás. Consta de un reactor horizontal (50 m3) con carga y mezcla neumática, selección automática del biogás producido. La planta procesa el estiércol de 70 a 90 cabezas de ganado, alrededor de 3 a 3,3 toneladas de estiércol por día.
Además del reactor, la planta de biogás consta de:
El reactor horizontal con un volumen de 50 m3 opera en el modo mesófilo. Para mantener la temperatura óptima, el reactor de acero está aislado y ubicado bajo tierra. Para calentar las materias primas cargadas, se utiliza un búnker de carga, que se calienta con gas. En las calderas de gas, los quemadores de infrarrojos se utilizan para el sistema de calefacción. Plantas con calentamiento y aislamiento del reactor y mezcla hidráulica de materias primas. Dos de estas instalaciones están ubicadas en la región de Chui de Kirguistán, una, en la región de Osh. El recipiente para mezclar materias primas puede ser de diferentes tamaños y formas. El reactor está aislado y hecho de tanques de acero. La materia prima se mezcla hidráulicamente y se calienta a temperatura mesófila. El almacenamiento se utiliza para almacenar biofertilizante en invierno. Ejemplo 4: Un ejemplo de tal instalación es la instalación de la granja avícola "2T" en la ciudad de Kant, región de Chui de la República Kirguisa. La planta consta de tres reactores elevados calefaccionados, de 25 m3 de volumen cada uno, con carga, descarga y mezclado hidráulico de materias primas mediante bombas centrífugas.
Los tanques del biorreactor están cubiertos con una capa termoaislante. El calentamiento de la biomasa procesada en la primera vasija del reactor se realiza automáticamente mediante un generador de calor por agua, y en la segunda y tercera cámaras abriendo las persianas para calentarlas con energía solar. Cuando hace frío, las puertas se cierran y el calor del interior de los contenedores se retiene mediante una capa de protección contra el calor. La planta fue construida en 2002 por cuenta propia de los propietarios de la granja avícola y puede procesar hasta 5 toneladas de materia prima por día. Después de la instalación, la instalación funcionó durante 3 meses en el modo mesófilo, después de lo cual se suspendió. La instalación se cargaba semanalmente, el fertilizante descargado se vertía en el depósito y se vendía a la población. No se utilizó biogás. La operación de la instalación se suspendió por falta de desarrollo tecnológico para la aplicación de fertilizantes líquidos. El diseño de la planta no prevé el uso del biogás producido, la imperfección del indicador de nivel de materia prima en los reactores conduce a imprecisiones en la carga de materias primas. En general, la instalación está operativa. Construcción de una planta de biogás Antes de iniciar la construcción de una planta de biogás, es necesario tener en cuenta las condiciones necesarias para su funcionamiento eficiente. Las averías o el bajo rendimiento de una planta de biogás suelen ser el resultado de errores de planificación. Las consecuencias de tales errores pueden notarse inmediatamente o después de varios años de operación de la planta. La planificación cuidadosa y completa es esencial para eliminar errores antes de que causen daños irreparables. La planificación para la construcción de plantas de biogás agrícola debe comenzar con la determinación del potencial de producción de biogás y biofertilizantes en función de la cantidad de materia prima disponible, así como la cantidad de energía requerida por la granja. Si la planta de biogás está destinada principalmente como fuente de energía, la construcción solo se recomienda si los cálculos de producción potencial de biogás son suficientes para satisfacer las necesidades energéticas de la granja. Elección del tamaño del reactor El tamaño del reactor se mide en metros cúbicos y depende de la cantidad, calidad y tipo de materias primas, así como de la temperatura elegida y el tiempo de digestión. Hay varias formas de determinar el volumen requerido del reactor. La relación de la dosis diaria de carga de materias primas y el tamaño del reactor. La dosis diaria de carga de materias primas se determina en función del tiempo de fermentación (tiempo de rotación del reactor) y el régimen de temperatura seleccionado. Para el modo de digestión mesófila, el tiempo de rotación del reactor es de 10 a 20 días, y la dosis diaria de la carga es de 1/20 a 1/10 del volumen total de alimentación en el reactor. Tamaño del reactor para procesar una cierta cantidad de materias primas En primer lugar, en función del número de animales, se determina experimentalmente la cantidad diaria de estiércol (DN) para su procesamiento en una planta de biogás. Luego, la materia prima se diluye con agua para lograr un 86% - 92% de humedad. En la mayoría de las instalaciones rurales, la proporción de estiércol y agua mezclada para producir materias primas oscila entre 1:3 y 2:1. Así, la cantidad de materias primas cargadas (D) es la suma de los residuos domésticos (DN) y el agua (DV) con los que se diluyen. Para el procesamiento de materias primas en modo mesófilo, se recomienda utilizar una dosis de carga diaria D, igual al 10% del volumen de materias primas totales (RS) cargadas en la instalación. El volumen total de materias primas en la instalación no debe exceder los 2/3 del volumen del reactor. Así, el volumen del reactor (RR) se calcula utilizando la siguiente fórmula: OS = 2/3 EP y OP = 1,5 OS Donde SO = 10CHD D = DN + DV. Ejemplo: Homestead contiene 10 bovinos, 20 cerdos y 35 pollos. El volumen diario de estiércol y orina de 1 ganado = 55 kg, de un cerdo = 4,5 kg, de 1 pollo = 0,17 kg. El volumen diario de residuos de la finca DN será igual a 10x55 + 20x4,5 + 35x0,17 = 550 + 90 + 5,95 = 645,95 kilogramos, aproximadamente 646 kg. El contenido de humedad de los excrementos de ganado vacuno y porcino es del 86 %, y el de las gallinas es del 75 %. Para alcanzar el 85% de humedad, agregue 3,9 litros de agua (unos 4 kg) a los excrementos de las aves. Esto significa que la dosis diaria de carga de materias primas será de unos 650 kg. La carga completa del reactor OS = 10x0,65 = 6,5 toneladas, y el volumen del reactor OR = 1,5x6,5 = 9,75, o aproximadamente 10 m3. Cálculo del rendimiento de biogás El cálculo de la producción diaria de biogás se calcula según el tipo de materia prima y la porción diaria de la carga. Tabla 9. Cálculo del rendimiento de biogás para diferentes tipos de materias primas
Ejemplo: Homestead contiene 10 bovinos, 20 cerdos y 35 pollos. El volumen de la cantidad diaria de excremento del ganado = 55 kg, del cerdo = 4,5 kg, del pollo = 0,17 kg. El volumen diario de desechos de la granja será igual a 550 kilogramos de excremento de ganado (85% de humedad), 90 kilogramos de excremento de cerdo (85% de humedad) y 5,95 kilogramos de gallinaza (75% de humedad). Después de diluir el estiércol con agua para lograr un 85% de humedad, la cantidad de materia prima de los pollos será de unos 10 kg. Según la tabla, el rendimiento de biogás de 1 kilogramo:
Por consiguiente, la
Equilibrio entre demanda energética y rendimiento de biogás El requerimiento de energía para cada hogar individual se determina a partir de la suma de todas las situaciones de consumo presentes y futuras, como cocinar, iluminar, producir energía. También es necesario tener en cuenta el consumo de biogás para calentar las materias primas en el reactor, que en las condiciones de Kirguistán oscila entre el 10 % y el 25 %, según la temporada. La cantidad de biogás que necesita una granja puede determinarse por la cantidad de energía consumida previamente. Por ejemplo, quemar 1 kg de leña es similar a quemar 650 litros o 0,65 m3 de biogás, quemar 1 kg de estiércol - 0,7 m3 de biogás y 1 kg de carbón - 1,1 m3 de biogás. La cantidad necesaria de biogás para cocinar se puede determinar en función del tiempo de cocción diario. La cantidad necesaria de biogás para cocinar una porción de comida para una persona es de 0,15 a 0,3 m3 de biogás. Hervir 1 litro de agua requiere 0,03 - 0,05 m3 de biogás. Para calentar 1 m2 de espacio habitable, se necesitan alrededor de 0,2 m3 de biogás por día. Los quemadores domésticos consumen 0,20 - 0,45 m3 por hora. Ejemplo: Una familia de 4 personas vive en una casa de 100 m3, tiene 20 vacas en un área de 100 m3 y procesa estiércol en una planta de biogás con un volumen de reactor de 15 m3. Tres comidas al día para una familia de 4 requerirán de 1,8 a 3,6 m3 de biogás, y calentar una habitación de 100 m2 requerirá alrededor de 20 m3 de biogás por día. El calentamiento del reactor (por ejemplo, en septiembre) requiere el 15% del biogás producido. Para calentar el reactor de una planta con un volumen de 15 m3, será necesario gastar unos 6 m3 de biogás diarios. Se necesitan alrededor de 1 litros de agua hervida por día para mantener 3 vaca, por lo tanto, para mantener 20 vacas, es necesario hervir 60 litros de agua, lo que requerirá de 1,8 a 3 m3 de biogás por día. Se necesitan 100 m2 por día para calentar las habitaciones necesarias para los animales con una superficie total de 20 m3. Así, el mantenimiento de los animales requiere 21,8 - 23 m3 de biogás al día. Toda la finca necesita 49,6 - S2,6 m3 de biogás por día. Selección de una ubicación de instalación La regla de oro para la ubicación de una planta de biogás es que la planta pertenezca a la finca, no a la cocina. Es mejor si el tanque de mezcla de materia prima está conectado directamente al piso de la granja. Incluso si hay que tender varios metros de tubería, es más económico que transportar materias primas. El nivel del piso de la granja debe ubicarse por encima del nivel del contenedor para la preparación de materias primas, luego el estiércol y la orina de los animales caerán en este contenedor bajo la influencia de las fuerzas de gravedad. Si el punto de descarga de la planta de biogás está ubicado por encima del nivel de los campos cercanos, esto facilitará la distribución de biofertilizantes a estos campos. Elegir el diseño de una planta de biogás Actualmente, se han desarrollado muchos diseños de plantas de biogás, adecuadas para operar en diversas condiciones climáticas y socioculturales. La elección del diseño de la planta de biogás es el paso más importante en el proceso de planificación. Antes de elegir un diseño, uno debe comprender los problemas básicos y las opciones posibles para una planta de biogás. En áreas con un clima relativamente frío, como Kirguistán, el aislamiento y la calefacción del reactor son importantes para el funcionamiento de la planta durante todo el año. La cantidad y el tipo de materia prima que se procesa afecta el tamaño y el tipo de planta y el diseño de los sistemas de carga y descarga de materia prima. La elección del diseño de la planta también depende de la disponibilidad de materiales de construcción. Criterios para la selección del diseño. Ubicación: Determina si el reactor es principalmente subterráneo o sobre el suelo y, en el caso de una construcción sobre el suelo, vertical u horizontal. Las estructuras existentes se pueden utilizar para almacenar biofertilizantes, como pozos vacíos o contenedores de metal. Para reducir los costos, es necesario tener en cuenta la disponibilidad de partes prefabricadas de la instalación al planificar. La presencia de materias primas determina no solo el tamaño y la forma del recipiente para mezclar materias primas, sino también el volumen del reactor, los dispositivos de calentamiento y mezcla. La agitación con biogás es posible cuando el contenido de sólidos es inferior al 5 %. La mezcla mecánica es difícil cuando el contenido de la materia prima es más del 10 % de sólidos. Reactor El criterio principal para elegir un diseño de reactor es la posibilidad real de aplicación práctica y conveniencia, en términos de mantenimiento y operación. Independientemente de la elección del diseño, el reactor debe cumplir los siguientes requisitos: Hermético al agua/gas: hermético al agua para evitar fugas y el deterioro de la calidad del agua subterránea, hermético al gas para mantener la cantidad total de biogás producido y para evitar la mezcla de aire con gas en el reactor, que puede ser explosivo. El aislamiento térmico es una condición necesaria para el funcionamiento eficiente de una planta de biogás en las condiciones climáticas de la República Kirguisa. El área de superficie mínima reduce el costo de construcción y reduce la pérdida de calor a través de las paredes del reactor. La estabilidad del diseño del reactor es necesaria para soportar todas las cargas (presión de gas, peso y presión de las materias primas, peso de los revestimientos, resistencia a la corrosión) y asegura el funcionamiento a largo plazo de la planta.
Moldes de reactores Desde el punto de vista de la dinámica de fluidos, la forma ovoide del reactor es óptima, pero su construcción es costosa. La segunda mejor forma es un cilindro con un fondo y una parte superior cónicos o semicirculares. No se recomiendan los reactores cuadrados hechos de concreto o ladrillo porque las esquinas se agrietarán debido a la presión de la materia prima y se acumularán partículas sólidas que interferirán con el proceso de digestión. El reactor se puede dividir en varias secciones utilizando tabiques internos para evitar la aparición de una costra en la superficie de la materia prima y para asegurar una fermentación más completa de la materia prima. Materiales para la construcción de reactores Los reactores se pueden construir con los siguientes materiales:
Garantizar la estanqueidad del reactor. Al construir una planta de biogás con un reactor de hormigón, ladrillo o piedra, es necesario garantizar la estanqueidad al gas y al agua del reactor. Es necesario recubrir el interior del reactor con una capa de una sustancia capaz de soportar temperaturas de hasta 60°C y resistente a los ácidos orgánicos y al sulfuro de hidrógeno. Revestimiento de cemento con aditivos.. Se han demostrado buenos resultados en términos de impermeabilidad al agua y al gas mediante la adición de materiales impermeables al cemento. Para la impermeabilidad a los gases es necesario añadir el doble de sustancia impermeable al agua. El tiempo entre la aplicación de las capas de revestimiento no debe exceder de un día, ya que después de un día es imposible adherir otra capa a la superficie impermeable. La siguiente receta se ha utilizado en Tanzania con buenos resultados:
Las siete capas deben aplicarse en un día. Asfalto con papel de aluminio. Los revestimientos de asfalto son fáciles de aplicar y se mantienen flexibles durante mucho tiempo. Se aplica una capa de asfalto a la superficie seca del reactor. Se pegan trozos de papel de aluminio sobre la capa aún pegajosa de asfalto, superponiéndose entre sí. Luego se aplica una segunda capa de asfalto. La desventaja del pavimento asfáltico es la inflamabilidad de sus componentes y que no se puede aplicar sobre superficies mojadas. El secado de un reactor de hormigón, ladrillo o piedra lleva varias semanas, a menos que se utilicen herramientas especiales, como un horno portátil. Además, el pavimento asfáltico puede desprenderse a medida que la alimentación pasa por el reactor. parafina. La parafina, diluida con 2-5% de queroseno o aceite de motor nuevo, se calienta a una temperatura de 100-150°C y se aplica a la superficie del reactor calentado por el quemador. La parafina penetra en el revestimiento y forma una capa protectora de penetración profunda. Si no se dispone de parafina, se puede utilizar cera de vela. Ubicación del reactor La ubicación de la instalación depende de varios factores: la disponibilidad de espacio libre, la lejanía de las instalaciones residenciales, los sitios de almacenamiento de desechos, la ubicación de los alojamientos para animales, etc. Dependiendo de la profundidad del agua subterránea, la conveniencia de cargar y descargar materias primas, el reactor puede tener una posición de tierra, parcial o completamente enterrada. El reactor se puede colocar sobre el suelo sobre una base, enterrado en el suelo o instalado dentro de la sala de animales. El reactor deberá contar con una trampilla necesaria para realizar trabajos periódicos de mantenimiento y reparación en el interior del reactor. Entre el cuerpo y la tapa debe haber una junta de goma o un compuesto de sellado especial. Siempre que sea posible, se recomienda la colocación subterránea, ya que reduce la inversión de capital y elimina el uso de equipos adicionales para cargar materias primas. La calidad del control térmico mejora significativamente y también permite utilizar materiales aislantes del calor baratos: arcilla y paja. Materiales de aislamiento térmico La mayoría de las plantas de biogás en Kirguistán se construyeron sin aislamiento térmico del reactor. La falta de aislamiento térmico permite que la planta opere solo durante la estación cálida, y cuando llega el clima frío, existe el peligro de congelación de la materia prima en el reactor y la posterior ruptura del reactor. Los materiales de aislamiento térmico deben tener buenas propiedades aislantes, ser baratos y estar disponibles. Los materiales adecuados para plantas con un reactor subterráneo o semienterrado son paja, arcilla, escoria, estiércol seco. El reactor está aislado en capas. Por ejemplo, para un reactor subterráneo, después de preparar el pozo, primero se coloca una capa de película de polietileno para evitar el contacto del aislamiento térmico con el suelo, luego se vierte una capa de paja, luego se coloca arcilla en el fondo del pozo, después de lo cual se instala el reactor. Luego, en el espacio restante entre el reactor y el suelo, las capas de materiales aislantes se llenan nuevamente hasta la parte superior del reactor, luego de lo cual se agrega arcilla con escoria con un espesor de al menos 300 mm. Instrumentación Los dispositivos de control y medición instalados en los reactores incluyen: control del nivel de materia prima en el reactor, control de temperatura y presión dentro del reactor. El control del nivel de materia prima se puede realizar a través de varios dispositivos de flotación, dispositivos electrónicos, etc. Control de temperatura por un termómetro ordinario o electrónico con una escala de medición de hasta 0 s a 70 s, y presión - por manómetros. Sistemas de carga y descarga de materia prima El funcionamiento de la planta de biogás en el modo de carga continua, que es óptimo desde el punto de vista de obtener la mayor cantidad de biogás y biofertilizantes, así como la estabilidad de la planta, implica la carga diaria de materias primas y la descarga de masa fermentada. Tanque de suministro de materia prima El estiércol fresco generalmente se recolecta en un tanque de alimentación antes de cargarlo en el reactor. Dependiendo del tipo de planta, el tamaño del tanque debe ser igual o el doble del volumen diario de materia prima. El contenedor también se utiliza para lograr la homogeneidad y el contenido de humedad deseados de la materia prima, a veces con el uso de agitadores mecánicos. ubicación del tanque La ubicación del contenedor en el lado soleado puede facilitar el precalentamiento de la alimentación para que el proceso de fermentación pueda comenzar inmediatamente después de cargar una nueva porción de la alimentación en el reactor. En el caso de instalaciones conectadas directamente a la granja, es necesario construir un contenedor para que las materias primas fluyan allí por la influencia de la gravedad. Los inodoros deben conectarse directamente a la tubería de alimentación por razones de higiene. Bocas de carga y descarga Las aberturas de carga y descarga conducen directamente al reactor y están ubicadas, por regla general, en los extremos opuestos del reactor para una distribución uniforme de la materia prima fresca en todo el volumen del reactor y una eliminación eficiente de los lodos procesados. La instalación de las bocas de carga y descarga se realiza antes de la instalación del reactor sobre los trabajos de cimentación y aislamiento térmico. Para instalaciones con reactores enterrados y carga manual de materias primas, las aberturas de carga y descarga conducen al reactor en un ángulo agudo. Para garantizar la estanqueidad del reactor durante la carga y descarga, las aberturas de entrada y salida están inclinadas con respecto al eje vertical de modo que el extremo inferior de la tubería quede ubicado por debajo del nivel del líquido. Esto crea un sello hidráulico que evita que entre aire en el reactor. Carga y descarga manual de materias primas. El método más sencillo de carga y descarga es el método de desbordamiento, que consiste en que al cargar estiércol fresco, el nivel de lodo en el reactor aumenta y la misma cantidad se descarga a través del tubo de desbordamiento conectado a este en un contenedor para recoger biofertilizantes. . La masa de alimentación puede contener partículas sólidas de un tamaño suficientemente grande, como material de cama (paja, aserrín), tallos de plantas y objetos extraños. Para garantizar que las tuberías no se obstruyan, su diámetro debe ser de al menos 200 - 300 cm La tubería de carga está conectada a un tanque de bunker o pretratamiento. En las tuberías para el suministro y drenaje de materias primas del reactor, se instalan válvulas de tornillo o de media vuelta. Carga y descarga con bombas Las bombas se convierten en una parte necesaria de un sistema de biogás cuando la cantidad de materia prima debe cargarse rápidamente y no se puede utilizar la gravedad debido a la topografía o las características de la materia prima. Se necesitan bombas para salvar la diferencia de altura entre el nivel de inyección de materias primas y la planta de biogás. Los motores de las bombas están sujetos a desgaste, son caros, consumen energía y pueden fallar. Por lo tanto, se recomienda utilizar otros métodos de carga de materias primas. Si no se puede evitar el uso de bombas, se instalan de dos maneras: Instalación en seco: la bomba se instala junto con la tubería. La materia prima fluye libremente hacia la bomba y es acelerada por ella. Instalación húmeda: la bomba se instala junto con el motor dentro de la materia prima. El motor está encerrado en un contenedor impermeable. O la bomba es impulsada por un eje de un motor fuera de la materia prima. Carga y descarga neumática de materias primas La mejor manera de alimentar y mezclar materias primas es neumática. Este método se utiliza en todas las instalaciones de la Asociación "Fluid" OF "Farmer". El dispositivo de carga neumática utiliza una tolva de suministro de materia prima (tanque de mezcla), para lo cual se utilizan recipientes de acero de 0,5 a 1 m3, que soportan presiones de hasta 5 kgf/cm2 y tuberías con un diámetro de al menos 100 mm con válvula. La materia prima se carga en el búnker y desde el búnker al reactor mediante un compresor. Los compresores de pistón de la marca IF-56 se utilizan para plantas de biogás de tamaño pequeño y mediano con un volumen de reactor de hasta 40 m3. Para grandes instalaciones con un volumen de reactor de 50 m3 o más, se utiliza el compresor FU-12, que sirve simultáneamente para bombear el biogás producido. Sistemas de recogida de biogás El sistema de recolección de biogás consta de una tubería de distribución de gas con válvulas de corte, un colector de condensados, una válvula de seguridad, un compresor, un receptor, un tanque de gas y consumidores de biogás (estufas, calentadores de agua, motores de combustión interna, etc.). El sistema se instala solo después de que el reactor de biogás esté en posición de trabajo. La abertura para tomar muestras de biogás del reactor debe ubicarse en su parte superior. Después del colector de condensados, se instala una válvula de seguridad, así como un sello de agua, realizado en forma de recipiente con agua, que asegura el paso del gas en un solo sentido. Esclusas de agua El biogás generado en el reactor de una planta de biogás contiene una gran cantidad de vapor de agua, que puede condensarse en las paredes de las tuberías y provocar obstrucciones. Idealmente, el sistema de gas debe ubicarse de manera que la humedad condensada pueda drenar directamente al reactor. Si esto no es posible, se deben instalar sellos de agua en los puntos bajos del sistema. Las válvulas de agua manuales son fáciles de operar, pero si no se vacían regularmente, el sistema se bloqueará debido a un nivel de agua demasiado alto en ellas. Tubería de gas El sistema de gas conecta la planta de biogás con los aparatos de gas mediante tuberías. Este sistema debe ser seguro, económico y suministrar la cantidad de gas necesaria para cada aparato. Las tuberías más utilizadas son las de acero galvanizado o las de plástico. Es muy importante que el sistema de gas sea estanco al gas y sirva para todo el ciclo de vida de la planta de biogás. Las tuberías para el suministro de biogás desde la planta hasta los consumidores deben protegerse contra daños. Las fugas de gas se pueden controlar con una solución jabonosa aplicada a las juntas de las tuberías. El gasoducto también debe estar equipado con una válvula de alivio de seguridad que libera biogás a la atmósfera cuando la presión supera los 0,5 kgf/s m2. Es más preferible quemar el exceso de biogás en quemadores de antorcha. tubos de gas Es importante instalar correctamente el sistema de tuberías de gas. Los requisitos para el sistema de tuberías para biogás no difieren de los estándares generales. Puede usar tuberías de plástico que sean resistentes a la luz ultravioleta del sol. Tubos de acero Las tuberías con un diámetro de 1,2 - 1,8 cm y una longitud inferior a 30 metros son adecuadas para plantas de biogás pequeñas y medianas. Para instalaciones más grandes, tuberías más largas y presiones más bajas, se requiere un tamaño de tubería especial. Al instalar tuberías de gas, se debe prestar especial atención a:
Los tubos de acero galvanizado son una alternativa fiable y duradera a los tubos de plástico. Se pueden desmontar y reutilizar si es necesario. Son resistentes a los golpes, pero costosos y solo pueden ser instalados por personal calificado, por lo que se recomiendan solo en lugares donde no se pueden instalar tuberías de plástico. Tubos de plastico Las tuberías de plástico (PVC) son baratas y fáciles de instalar, pero reaccionan a la radiación solar y pueden romperse con facilidad, por lo que se recomienda instalarlas bajo tierra. Diámetro de la tubería El diámetro de tubería requerido depende del consumo de biogás de los aparatos a gas y la distancia entre el tanque de gas y los aparatos que usan biogás. Las distancias más largas reducen la presión del biogás en la tubería. Cuanto mayor sea la distancia y mayor sea el flujo de gas, mayor será la pérdida por fricción. Las esquinas y los accesorios aumentan las pérdidas de presión. La pérdida de presión en las tuberías de plástico es menor que en las tuberías de acero galvanizado. La Tabla 10 contiene diámetros de tubería y tasas de flujo de biogás, así como longitudes de tubería para pérdidas de presión de menos de 5 mbar. Tabla 10. Diámetro de tubería adecuado para diferentes longitudes de tubería y diferentes caudales de gas
De la tabla se deduce que para un caudal de gas de 1,5 m3/h y una longitud de tubería de hasta 100 t metros, las tuberías de plástico con un diámetro de 1,8 cm son las más adecuadas.Otra posibilidad es elegir para la tubería principal un diámetro de 2,4 cm y un diámetro de 1,2 cm para todas las demás tuberías del sistema. Ubicación del sistema de tuberías. Las tuberías de plástico se pueden utilizar para sistemas subterráneos o sistemas protegidos del sol y los golpes mecánicos. En todos los demás casos se utilizan tubos de acero galvanizado. Se recomienda utilizar tuberías de acero galvanizado para la descarga directa de gas de la planta de biogás. Las tuberías de plástico deben estar al menos 25 cm bajo tierra y rodeadas de arena o tierra blanda. Luego, después de verificar si hay fugas en el sistema de tuberías, la zanja se cubre cuidadosamente con tierra ordinaria. La prueba de fugas se realiza bombeando aire en un sistema de tuberías vacío a una presión de 2,5 veces la presión de gas máxima esperada. Si después de algunas horas la pérdida de aire es evidente, la presión cae, entonces todas las conexiones se verifican vertiéndolas con agua jabonosa (se formarán burbujas en la superficie de las tuberías si hay fugas de gas). Grifos y accesorios Los grifos más fiables son las válvulas de bola cromadas. Las válvulas que normalmente se utilizan para sistemas de agua no son adecuadas para su uso en un sistema de gas. La válvula de gas principal debe instalarse cerca del reactor. Se deben instalar válvulas de bola como dispositivos de seguridad en todos los aparatos de gas. Los grifos y accesorios seleccionados e instalados correctamente le permiten reparar y limpiar los aparatos de gas sin cerrar la válvula principal de gas. soportes de gas La forma óptima de acumular biogás depende del propósito para el que se utilizará el biogás. Si se prevé la combustión directa en quemadores de calderas y motores de combustión interna, no se necesitan grandes depósitos de gas. En tales casos, los soportes de gas se utilizan para nivelar la liberación desigual de gas y mejorar las condiciones para la combustión posterior. En las condiciones de las plantas de biogás pequeñas, las cámaras grandes de automóviles o tractores se pueden usar como tanques de gas, pero los tanques de gas de plástico o acero son los más utilizados. Elección del tamaño del tanque de gasolina El tamaño del tanque de gas, es decir, su volumen, depende del nivel de producción y del nivel de consumo de biogás. Idealmente, el tanque de gasolina debe tener el tamaño adecuado para acomodar la cantidad diaria de biogás producido. Dependiendo del tipo de depósito de gas y de la presión que pueda soportar, el volumen del depósito de gas es de 1/5 a 1/3 del volumen del reactor. Soportes de gas de plástico Los recipientes de gas de plástico o caucho se utilizan en los países desarrollados para recolectar biogás en instalaciones combinadas, donde un recipiente abierto que sirve como reactor se cubre con plástico. Otra opción es un soporte de gas de plástico separado. Soportes de gas de acero Los soportes de gas de acero se pueden dividir en dos tipos:
Instrumentación Los dispositivos de control y medición instalados en los tanques de gas incluyen: un sello de agua, una válvula de seguridad, un manómetro y un reductor de presión. Los tanques de gas de acero deben estar conectados a tierra. Sistemas de mezcla Mezclando objetivos La mezcla de masa fermentada en el reactor aumenta la eficiencia de las plantas de biogás y proporciona:
Métodos de mezcla La mezcla de materias primas se puede realizar de las siguientes formas principales: mezcladores mecánicos, biogás pasado por el espesor de las materias primas y bombeo de materias primas desde la zona superior del reactor a la inferior. Los cuerpos de trabajo de los mezcladores mecánicos son tornillos, cuchillas, listones. Pueden ser operados manualmente o por un motor. Agitación mecánica La mezcla mecánica por medio de rotores de paletas se usa con mayor frecuencia en reactores horizontales de acero. El eje horizontal recorre toda la longitud del reactor. Se le unen cuchillas o tubos doblados en bucles. Cuando se gira el eje, la materia prima se mezcla, la corteza se rompe y el sedimento se precipita hacia la salida.
Los mezcladores mecánicos con accionamiento manual son los más fáciles de fabricar y operar. Se utilizan en reactores de pequeñas plantas con baja producción de biogás. Estructuralmente, representan un pozo instalado horizontal o verticalmente dentro del reactor paralelo al eje central. Sobre el eje se fijan palas u otros elementos con superficie helicoidal, asegurando el movimiento de la masa enriquecida con bacterias metaníferas en la dirección desde el lugar de descarga hasta el lugar de carga. Esto le permite aumentar la tasa de formación de metano y reducir el tiempo de residencia de la materia prima en el reactor. mezcla hidráulica Con la ayuda de la bomba, es posible mezclar completamente las materias primas mientras se cargan y descargan simultáneamente las materias primas. Estas bombas suelen estar ubicadas en el centro del reactor para realizar funciones adicionales. Agitación neumática La agitación neumática mediante la inyección del biogás producido de nuevo en el reactor se lleva a cabo montando un sistema de tuberías en la parte inferior del reactor y asegura una agitación suave de la materia prima. El principal problema de estos sistemas es la penetración de materias primas en el sistema de gas. Esto se puede evitar instalando un sistema de válvulas. La mezcla haciendo pasar biogás a través del espesor de la materia prima da buenos resultados solo si la masa fermentada está muy licuada y no forma una costra en la superficie libre. De lo contrario, las partículas flotantes deben eliminarse constantemente o las partículas grandes deben separarse antes de cargarlas en el reactor. Frecuencia de mezcla de las materias primas La agitación puede ser continua o intermitente, según el modo de funcionamiento del reactor. El modo de mezcla óptimo reduce significativamente el tiempo de fermentación de la materia prima y evita la formación de una costra. Aunque se produce una mezcla parcial debido a la liberación de biogás de la materia prima, debido al movimiento de la temperatura y al movimiento debido a la entrada de materia prima fresca, dicha mezcla no es suficiente. La agitación debe hacerse regularmente. Una mezcla demasiado pequeña de la materia prima conducirá a la estratificación de la masa cruda y la formación de una costra, lo que reducirá la eficiencia de la generación de gas. Una materia prima bien mezclada puede producir hasta un 50 % más de biogás. La agitación demasiado frecuente puede dañar los procesos de fermentación dentro del reactor: las bacterias no tienen tiempo para "comer". Además, esto puede dar lugar a la descarga de materias primas procesadas de forma incompleta. Lo ideal es una agitación suave pero vigorosa cada 4-6 horas. Sistemas de calentamiento de materias primas Muchas pequeñas plantas de biogás en Kirguistán se construyeron sin sistemas de calefacción y sin aislamiento térmico. La ausencia de un sistema de calefacción permitirá que la planta opere solo en modo psicofílico y permitirá recibir una cantidad menor de biogás y biofertilizante que en los modos mesofílico y termofílico. Para asegurar una mayor producción de biogás y biofertilizantes, así como una mejor desinfección de las materias primas, se utilizan dos métodos de calentamiento: calentamiento directo en forma de vapor o agua caliente mezclada con la materia prima y calentamiento indirecto a través de un intercambiador de calor, donde el El material de calentamiento, generalmente agua caliente, calienta la materia prima sin mezclarse con ella. calentamiento directo El calentamiento directo con vapor tiene una seria desventaja: la planta necesita un sistema de generación de vapor, incluida la purificación de agua a partir de sales, y cuando se usa calentamiento con vapor, puede ocurrir un sobrecalentamiento de la materia prima. El alto costo de un sistema de calefacción de este tipo lo hace económicamente viable solo cuando se usa en grandes plantas de tratamiento de aguas residuales. La adición de agua caliente aumenta el contenido de humedad del sustrato y solo debe usarse cuando sea necesario. calentamiento indirecto El calentamiento indirecto se lleva a cabo mediante intercambiadores de calor ubicados dentro o fuera del reactor, según la forma del reactor, el tipo de materia prima y el método de operación de la planta.
La calefacción por suelo radiante no mostró buenos resultados, ya que el sedimento que se acumula en el fondo del reactor dificulta el calentamiento de la materia prima. El calentamiento interno es una buena solución si el intercambiador de calor es lo suficientemente fuerte como para no romperse cuando la alimentación pasa por el reactor. Cuanto mayor sea el área del intercambiador de calor, más uniformemente se calientan las materias primas y el proceso de fermentación se desarrolla mejor (ver Fig. 26). El calentamiento externo mediante un intercambiador de calor con elementos conductores de calor en la superficie de las paredes del reactor de una planta de biogás es menos efectivo debido a la pérdida de calor desde la superficie de las paredes. Por otro lado, toda la pared del reactor se puede utilizar para calentar y nada dentro del reactor impide el movimiento de las materias primas. El recalentamiento de la materia prima generalmente se lleva a cabo en la tolva de alimentación y proporciona los beneficios de un acceso más fácil para la limpieza y reparación del reactor. Sistemas de calefacción internos y externos. Para lograr la máxima eficiencia en la generación de biogás, el procesamiento anaeróbico necesita ciertas condiciones de temperatura ambiente, preferiblemente cercanas para lograr un proceso óptimo. En Kirguistán, el sistema de calefacción y el aislamiento del reactor son necesarios para lograr la temperatura de proceso deseada y evitar pérdidas de energía. Para calentar el reactor a la temperatura mesófila con la ayuda de electricidad, se requiere un promedio de 330 W por 1 m3 del volumen del reactor. El sistema de calefacción de materia prima más común es un sistema de calefacción externo con una caldera de agua caliente alimentada por biogás, electricidad o combustible sólido. También puede utilizar calentadores de agua solares. Como elementos calefactores, los intercambiadores de calor se utilizan en forma de bobinas, secciones de radiadores, tuberías soldadas en paralelo, donde el agua caliente con una temperatura de aproximadamente 60 C sirve como portador de calor. Las temperaturas más altas aumentan el riesgo adherencia de partículas suspendidas en la superficie del intercambiador de calor. Se recomienda ubicar los intercambiadores de calor en el área de acción del dispositivo de mezcla, lo que ayuda a evitar la deposición de partículas sólidas en su superficie. Instalación del sistema de calefacción Al instalar un sistema de calefacción, es importante proporcionar las condiciones necesarias para el movimiento natural del fluido en este sistema. Para ello, es necesario asegurar el suministro de agua caliente al punto superior del sistema y el retorno de agua fría al punto inferior. Se deben instalar válvulas en las tuberías de calefacción para liberar el aire de los puntos altos, y el sistema de calefacción debe estar equipado con un tanque de expansión para cambiar el volumen de agua. Se debe instalar un termómetro para controlar la temperatura dentro del reactor de la planta de biogás. Tipos de instalaciones recomendadas para su implementación en Kirguistán Teniendo en cuenta las condiciones climáticas y de otro tipo en Kirguistán, se recomienda introducir los siguientes tipos de plantas de biogás. Planta de biogás con carga manual sin mezclar y sin calentar la materia prima en el reactor La planta de biogás más simple (Fig. 29) está diseñada para pequeñas granjas. El volumen del reactor de la planta es de 1 a 10 m3, diseñado para procesar de 50 a 200 kg de estiércol por día. La instalación contiene un mínimo de componentes para asegurar el proceso de procesamiento del estiércol y la producción de biofertilizantes y biogás: un reactor, una tolva para cargar materias primas frescas, un dispositivo para la selección y uso de biogás, un dispositivo para descargar materias primas fermentadas . La planta de biogás se puede utilizar en las regiones del sur de Kirguistán sin calentar ni mezclar y está diseñada para operar en un régimen de temperatura psicófilo de 5 °C a 20 °C. El biogás producido se envía inmediatamente para su uso en electrodomésticos. La masa procesada se retira del reactor a través de la tubería de descarga al momento de cargar la siguiente porción de materia prima o por la presión del biogás en el reactor de la planta. La masa fermentada descargada cae a un tanque de almacenamiento temporal, que no debe ser inferior al volumen del reactor.
La planta de biogás más simple puede ser construida por cualquier agricultor por su cuenta. La tabla proporciona una especificación y una estimación de los materiales que se necesitarán para su construcción. Tabla 11. Especificación y estimación para la fabricación de la planta de biogás más simple con carga manual sin mezclar y sin calentar la materia prima
La secuencia de trabajos para la construcción de la planta de biogás más simple. Al hacer la planta de biogás más simple por su cuenta, se recomienda seguir el siguiente procedimiento: después de determinar el volumen diario de estiércol acumulado en la granja para procesarlo en una planta de biogás y seleccionar el volumen del reactor requerido, debe elegir la ubicación de el reactor y preparar materiales para el reactor de la planta de biogás. Luego, se instalan las tuberías de carga y descarga y se prepara el pozo para la planta de biogás. Después de instalar el reactor en el tajo, se instala una tolva de carga y una salida de gas, después de lo cual se instala una tapa de registro, que se utilizará para el mantenimiento y reparación del reactor. A continuación, se comprueba la estanqueidad del reactor, la pintura y el aislamiento térmico de la instalación. ¡La planta está lista para la puesta en marcha! Planta de biogás con carga y mezcla manual de materias primas. La construcción de una planta de biogás con carga y mezcla manual de materias primas (Fig. 30) tampoco requiere grandes costos financieros.
Está destinado a pequeñas explotaciones. El volumen del reactor de la planta es de 1 a 10 m3, está diseñado para el procesamiento de S0 - 200 kg de estiércol por día. Para aumentar la eficiencia de la planta de biogás, se instaló un dispositivo para la mezcla manual de materias primas. Planta de biogás con carga manual, mezcla y calentamiento de materias primas en el reactor Para un proceso de digestión más intensivo y estable, se instaló un sistema de calentamiento del reactor (Fig. 31).
La unidad puede operar en modos mesofílicos y termofílicos. El reactor de la planta de biogás se calienta mediante una caldera de agua caliente que funciona con el biogás producido. El resto del biogás se utiliza directamente en electrodomésticos. La materia prima procesada se almacena en un contenedor especial hasta que se aplica al suelo. Planta de biogás con carga manual, depósito de gas, mezcla neumática de materias primas, con calentamiento de materias primas en el reactor Una instalación sencilla con carga manual de materias primas en el reactor está equipada con un dispositivo de bombeo automático para el biogás producido y un depósito de gas para su almacenamiento (Fig. 32).
La mezcla de materias primas en el reactor se realiza neumáticamente utilizando biogás. Tal planta de biogás puede operar en todos los regímenes de temperatura de digestión. Planta de biogás con tanque de gas, preparación manual y carga y mezcla neumática de materias primas, con calentamiento de materias primas en el reactor La instalación (Fig. 33) está diseñada para fincas medianas y grandes con capacidad para procesar de 0,3 a 30 o más toneladas de materia prima por día. Volúmenes del reactor: de S a 300 m3 y más.
La preparación, la carga y la mezcla de las materias primas se mecanizan y producen mediante un sistema neumático. Las materias primas se calientan en el reactor de la planta de biogás mediante un intercambiador de calor con una caldera de calentamiento de agua que funciona con biogás. La tubería de descarga de materias primas cuenta con un ramal para la recolección de biofertilizantes en almacenamiento y para la carga en vehículos para su traslado al campo. El dispositivo de esta planta de biogás (Fig. 32) prevé la preparación manual y la carga neumática de materias primas en el reactor, parte del biogás producido se utiliza para calentar las materias primas en el reactor. La mezcla se realiza con biogás. La selección de biogás se realiza automáticamente. El biogás se almacena en un tanque de gas. La unidad puede operar en cualquier régimen de temperatura para la fermentación de materias primas. Planta de biogás con depósito de gas, preparación mecánica, carga neumática y mezcla de materias primas, con calentamiento de materias primas en el reactor Una característica distintiva de esta planta de biogás (Fig. 34), diseñada para granjas medianas y grandes, es la presencia de un tanque especial para la preparación de materias primas, desde donde es alimentado por un compresor a la tolva de carga, y luego, utilizando biogás comprimido, al reactor de la planta. Parte del biogás generado se utiliza para hacer funcionar el sistema de calefacción. La planta está equipada con extracción automática de biogás y un depósito de gas para su almacenamiento. La presencia de un sistema de calefacción permite el funcionamiento de una planta de biogás en todos los modos de fermentación.
Tabla 12. Especificación de equipos y materiales para una planta de biogás de granja con depósito de gas, preparación mecánica, carga neumática y mezcla de materias primas, con calentamiento de materias primas en el reactor (ver Fig. 12 y 13)
Tabla 13. Presupuesto para la fabricación de una planta de biogás de granja con tanque de gas, preparación mecánica, carga neumática y mezcla de materias primas, con calentamiento de materias primas en el reactor (ver Fig. 12 y 13).
* Esta estimación no incluye costos de transporte, costos generales de construcción y deducciones de impuestos. Operación de plantas de biogás La operación diaria estable de una planta de biogás requiere un alto nivel de disciplina por parte del personal operativo para obtener altos volúmenes de biogás y biofertilizantes y una larga vida útil de la planta. Muchos problemas ocurren debido a errores en la operación. A menudo, estos problemas se pueden minimizar mediante:
Preparando para el lanzamiento La etapa de preparación incluye la verificación de la estanqueidad del reactor y del sistema de gas. Para ello, se conecta un manómetro de agua al sistema de gas, se cierran todos los grifos para poder medir con un manómetro el exceso de presión de aire en el reactor. Para ello, el reactor se llena de agua hasta el nivel de trabajo. El exceso de aire será expulsado a través de la válvula de alivio. Después de eso, se registran las lecturas del manómetro y se deja el reactor lleno de agua durante un día. Si, después de un día, la lectura del manómetro no ha cambiado o ha cambiado ligeramente, entonces podemos asumir que el sistema de gas y el reactor tienen suficiente estanqueidad. En caso de pérdida de presión en el reactor y en el sistema de gas, es necesario encontrar y eliminar la fuga. El trabajo de puesta en marcha de una planta de biogás solo puede comenzar cuando la planta en su conjunto y sus elementos se reconocen como aptos para operar y cumplen con los requisitos para una operación segura. Fase de puesta en marcha La carga inicial de una nueva planta de biogás debería, si es posible, consistir en materiales de desecho de otra planta (alrededor del 10 %) o estiércol fresco de ganado, ya que una operación exitosa requiere cepas de microorganismos productores de metano, que se encuentran en grandes cantidades en el ganado fresco. estiércol. La edad y la cantidad de la porción inicial de materias primas tienen una fuerte influencia en todo el curso de la fermentación. Se recomienda cuidar una cantidad suficiente de materias primas incluso antes del final de la construcción de la planta. En la primera carga, es posible diluir la cantidad insuficiente de materia prima con más agua de lo habitual para llenar el reactor a 2/3 del volumen. Tipos de materias primas Según el tipo de materia prima utilizada, la planta de biogás puede tardar entre varios días y varias semanas en alcanzar un nivel de funcionamiento estable. Después de diluir la materia prima hasta obtener una masa homogénea del contenido de humedad deseado, se carga en el reactor, que se llena con no más de 2/3 del volumen interno. El volumen restante del reactor se utiliza para la acumulación de biogás. La materia prima cargada en el reactor no debe estar fría; su temperatura debe acercarse a la temperatura de fermentación óptima seleccionada. Optimización de la puesta en marcha Para optimizar el proceso de digestión, se pueden utilizar algunos métodos de puesta en marcha conocidos:
Para garantizar un crecimiento estable de microorganismos durante el período de puesta en marcha, el calentamiento de la materia prima cargada debe aumentarse gradualmente, no más de 2 °C por día, hasta alcanzar los 35-37 °C. Durante el proceso de calentamiento, debe asegurarse una mezcla intensiva de las materias primas. Después de 7-8 días, comienza la vida activa de los microorganismos en el reactor y la liberación de biogás. Características de la fase de puesta en marcha El período de puesta en funcionamiento de una planta de biogás se denomina período de puesta en marcha y se caracteriza por:
Estabilización de procesos La transición al modo operativo de operación es más rápida si las materias primas se mezclan frecuente e intensamente. Si la estabilización del proceso de digestión se retrasa durante la puesta en servicio, se debe agregar una pequeña cantidad de estiércol de ganado al reactor para restablecer el equilibrio del pH. Inmediatamente después de que se estabiliza el proceso de digestión, un gran volumen de materia prima sin digerir producirá una gran cantidad de biogás. Una vez que el nivel de biogás producido ha descendido al nivel esperado, puede comenzar la carga regular de materia prima. Preparando el tanque de gasolina La preparación de un tanque de gas para llenarlo con gas como parte de un módulo solo puede llevarse a cabo después de la aceptación y prueba de acuerdo con las especificaciones técnicas y después del examen por parte de las autoridades de Gosgortekhnadzor. Para evitar la formación de una mezcla explosiva, antes de llenar el tanque de gas con gas, es necesario que se expulse el aire de todo el sistema, incluso de los gasoductos. El aire es desplazado por agua seguido del desplazamiento de agua por gas presurizado o gases no combustibles. El desplazamiento de aire se considera completo si el contenido de oxígeno en la muestra de gas tomada del tanque de gasolina no supera el 5%. Una inspección externa debe verificar el estado de los dispositivos de control y medición que forman parte del tanque de gas (válvulas de retención y seguridad, manómetro, reductor de presión). La confiabilidad de la conexión a tierra y la protección contra rayos del tanque de gas se verifica utilizando un medidor de conexión a tierra. La resistencia de puesta a tierra no debe exceder los 4 ohmios. Calidad del gas Durante el período en que la planta de biogás ingresa al modo operativo de operación, la calidad del biogás será baja. Por este motivo, y también para evitar una situación explosiva asociada al oxígeno residual contenido en los gasómetros, se deben liberar al aire los dos primeros volúmenes diarios de biogás. Una vez que el biogás se vuelve inflamable, se puede utilizar para los fines previstos. Operaciones diarias Dosis de carga de materias primas. Para el funcionamiento óptimo de las plantas de biogás, la dosis diaria de estiércol fresco y la frecuencia de su aplicación son de gran importancia. La dosis de carga es un valor variable y depende del tipo de materia prima, la temperatura de fermentación y la concentración de materia seca en la materia prima. A dosis bajas de carga diaria de materias primas, que no excedan el 1-5 % del volumen del reactor por día, se libera menos biogás que con dosis altas del 10-20 %. Sin embargo, a altas dosis de carga diaria, el contenido de metano en el biogás se reduce y el contenido de dióxido de carbono aumenta. Desde el punto de vista de la calidad del biogás, la dosis óptima de carga diaria para instalaciones con temperatura de fermentación mesófila se puede considerar del 6-10% del volumen total de materias primas cargadas con una duración de fermentación de 10-20 días. La dosis de carga óptima para el régimen termofílico se puede considerar 1S-2S7 con una duración de fermentación de 4 a 8 días. Cuando se utiliza el modo de fermentación psicofílico, se recomienda cargar no más del 2% con la adición diaria de nuevas materias primas. Si se utiliza el método de carga por lotes, el reactor se carga inmediatamente a 2/3 y la materia prima se procesa sin agregar estiércol fresco durante 40 días o más. Frecuencia de carga y mezcla La dosis diaria no debe introducirse en el reactor por completo, sino gradualmente en porciones iguales a intervalos regulares de 4 a 6 veces al día. Después de cargar la siguiente porción, se recomienda mezclar las materias primas. El estado y funcionamiento de los agitadores debe comprobarse diariamente. Control del proceso de fermentación por el color de la masa fermentada La forma en que avanza el proceso de fermentación de las materias primas en el reactor se puede juzgar por la intensidad de la liberación de biogás, así como por el color de la masa fermentada a la salida del reactor. La ausencia de biogás o su débil formación indica una baja actividad de microorganismos y puede detectarse por el color gris de la masa fermentada. La razón de esto también puede ser la falta de microorganismos, lo que lleva al deterioro del proceso de fermentación, cuya reanudación requiere la introducción de soluciones nutritivas con una buena concentración de microorganismos y, por lo tanto, con potencial para una buena gasificación. Con un exceso de nutrientes, es posible la formación de ácido y una disminución en la actividad de los microorganismos. El color de la materia prima fermentada en este caso cambia a negro y se puede formar una película blanca en su superficie. Los ácidos se pueden neutralizar introduciendo cenizas vegetales o agua de cal. Si la masa fermentada tiene un color marrón oscuro y al mismo tiempo se forma espuma en su superficie, entonces podemos suponer que se está llevando a cabo un proceso de fermentación normal. Control de nivel de materia prima Un problema particular en las plantas pequeñas es el taponamiento de las aberturas del reactor. Esto puede generar demasiada presión dentro del reactor y el bloqueo de la tubería de gas. Para evitarlo, es necesario comprobar diariamente el nivel de materias primas y el estado de las aberturas de la instalación. Operaciones semanales y mensuales.
Operaciones Anuales
prevención de accidentes Al operar una planta de biogás, preste atención a lo siguiente:
Requisitos de Gosgortekhnadzor El dispositivo, la operación y el mantenimiento de las plantas de biogás deben cumplir con los requisitos de las "Reglas para el diseño y la operación segura de recipientes a presión" del Gosgortekhnadzor de la República Kirguisa, si las plantas de biogás incluyen:
Las personas no menores de 18 años que tengan permiso del Gosgortekhnadzor de la República Kirguisa en forma de un certificado del formulario establecido para el derecho a dar servicio a plantas de biogás y realizar trabajos peligrosos relacionados con el gas pueden estar autorizados a dar servicio a plantas de biogás y transportar fuera de trabajo peligroso de gas. Mantenimiento, vigilancia y reparación El mantenimiento de la planta de biogás consiste en los trabajos que son necesarios para el funcionamiento eficiente y duradero de la planta, y la reparación se realiza en caso de averías de la planta de biogás. Mantenimiento diario Tabla 14 Mantenimiento diario
Mantenimiento mensual
Tabla 15. Control de refuerzo
Servicio anual
Monitoreo La monitorización implica la recogida de datos sobre el funcionamiento de la instalación para:
Se deben recopilar los siguientes datos:
Reparación Las averías que pueden ocurrir en una planta de biogás en funcionamiento se describen en la siguiente tabla. La causa más común de preocupación es la disminución de la producción de biogás. Tabla 16. Causas comunes de averías y su eliminación
Los trabajos de reparación se llevan a cabo tanto en caso de averías como durante el funcionamiento normal de las plantas. Las reparaciones más allá de las indicadas anteriormente deben ser realizadas por especialistas, ya que el propietario de la instalación no suele tener formación técnica. En cualquier caso, se debe realizar una inspección anual de la instalación por parte de técnicos capacitados. Документация Para garantizar el normal funcionamiento, mantenimiento y reparación, la instalación debe contar con la siguiente documentación:
Autores: Vedenev A.G., Vedeneva T.A.
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