Тандем - 2, шлакоблочные станки, бетоносмесители


Производство оборудования и технологии
Рубрики

Біогазові установки та методи їх розрахунку

Головною частиною біогазової установки є реактор для збро­джування біомаси, тип якого та визначає їх принципову відмінність. За цим принципом нами складена класифікація біогазових установок, призначених для анаеробного зброджування біомаси різного вигляду та складу, рис. 6.8.

image120

Рисунок 6.8 — Класифікація біогазових установок

Різні конструктивні та технологічні рішення відносяться голо­вним чином до так званих реакторів першого покоління традіционих метантенків. Ці метантенки іноді мають дві або більш секцій, де здій­снюється часткове розділення стадій анаеробного зброджування. [З, 206-211,222, 224, 225, 227].

Конструкції метантенків достатньо різноманітні, відрізняються головним чином гідравлічним режимом (проточні або періодичного наповнення) і способами завантаження (безперервний або періодич­ний). При безперервній (проточної) схемі біомаса завантажують без­перервно або через (до 10 разів на добу) певні проміжки часу, вида­ляючи таку ж кількість збродженої маси. При дотриманні всіх умов зброджування така схема дозволяє одержати максимальний вихід біо — газу. При періодичній схемі метантенки (їх звично два) завантажують по черзі.

При цьому свіжу біомасу змішують із залишками збродженого біомаси. Газ починає утворюватися після закінчення 5… 10 діб і при досягненні максимальної кількості поступово знижується до мініму­му. Потім зброджений біомаса вивантажують і метантенки знову за­вантажують свіжою біомасою.

Одним з варіантів традиційного метантенка можна рахувати ана­еробні біомаса сховища. [223, 226]. При цьому передбачається засто­сування синтетичних покриттів для збору біогазу, підтримка темпера­тури і pH, обережне перемішування, рециркуляція біомаси, що знахо­диться в ньому. Перевагами анаеробних біомаса сховищ є простота їх споруди, низька чутливість до високого змісту зважених речовин. Не­доліки — потреба у великих площах, великі втрати тепла в зимовий час. [228, 229].

Аналіз конструктивних рішень біогазових установок показав, що більшість з них має одноступінчатий реактор проточного типу з по­вним перемішуванням. їх загальне число складає 68 % від всіх типів реакторів, що знаходяться в експлуатації. Разом з цим досвід експлуа­тації вітчизняних і зарубіжних установок для анаеробного зброджу­вання біомаси показує, що при використовуванні одноступінчатих ре­акторів мають місце «проскакування» необробленого біомаси, що знижує їх ефективність при виробництві біогазу [230].

Проточні метантенки вважаються найприйнятнішими для отри­мання біогазу з рідкого біомаси або напіврідкого вогкістю 91…96 %. Проте, для анаеробної обробки гнойових стоків, надмірного активно­го мула, фугату і опадів очисних споруд такі реактори неефективні. Річ у тому, що вказані відходи містять незначну кількість органічних речовин (менш 2 %), з яких утворюється активна анаеробна біомаса, і що в метантенках відбувається постійне її витіснення. Тому для обро­бки таких стоків застосовуються конструкції реакторів, що викорис — товують принцип утримання біомаси, [230]. У таких реакторах ство­рюють плаваючі або фіксовані насадки, виробляють рециркуляцію бі­омаси, або роблять реактор таким, що складається з декількох секцій. Реактори з такими пристроями звичайно відносять до групи реакторів під назвою біофільтри. У практиці зброджування нізкоконцентрова — них відходів найбільше поширення набули біофільтри з прикріпленою біомасою. [230-234].

У біофільтрі гнойові стоки обтікають поверхня завантажуваль­ного матеріалу, покритого біологічною плівкою, утворюваною мікро­організмами. Ці мікроорганізми при контакті з гнойовими стоками розкладають органічні речовини, що знаходяться в них, з утворенням біогазу. Біофільтр з висхідним потоком, запропонований в 1967 р. Ян­гом і Маккарті, є першим анаеробним реактором з прикріпленою біо­масою. У цій споруді стічна вода подається через донну розподільну систему, проходить через шар завантажувального матеріалу і відво­диться з верхньої частини реактора. У сучасних анаеробних біофільт­рах як завантаження застосовують площинні пластмасові вироби, а також, такі об’ємні матеріали, як гравій, щебінь, шлак і ін. [235-239].

Біомаса в анаеробних біофільтрах утримується, в основному, у вигляді флокул і гранул, розташованих в пустках завантажувального матеріалу, а також у вигляді біоплівки, прикріпленої до його поверх­ні.

Досвід застосування подібних пристроїв для отримання біогазу в системах очищення гнойових стоків (фугаїу) незначний, а наявні ві­домості в науково-технічній літературі не дозволяють створити ефек­тивні установки. [240, 241].

У літературі є також відомості про використовування анаероб­них контактних реакторів для зброджування біомасових стоків. [242, 240].

Контактний реактор складається з безперервно завантажуваного резервуару з перемішуванням і зовнішнього пристрою для відділення біомаси, як правило, відстійника. Бактерії, що знаходяться в контакт­ному реакторі у вигляді флокул (пластівців мула), підтримуються в
зваженому стані за рахунок перемішування. Суміш мула розділяється у відстійнику, утримана біомаса повертається в реактор, де знов змі­шується (контактує) з субстратом, який надходить. В результаті від­бувається інтенсивне анаеробне розкладання органічних речовин з отриманням біогазу. Для зброджування підстилкового і напіврідкого біомаси вогкістю менше 90 % найбільше поширення набули установ­ки з рециркуляцією рідкої фракції збродженої біомаси після його роз­ділення. Принципова відмінність у тому, що в реактори повертається рідка фракція для підтримки в них потрібного гідравлічного режиму. Саме ця обставина і забезпечує можливість обробки висококонцент — рованого біомаси, до якого відноситься як підстилковий, так і напів­рідкий біомаса. [243].

Розглянуті вище технічні і технологічні рішення біогазових установок забезпечують виробництво біогазу при зброджуванні біо­маси з різними фізико-механічними властивостями. Проте ефектив­ність багато в чому залежить від конструктивних параметрів і техно­логічного регламенту їх роботи. В зв’язку з цим розглянемо методи визначення цих характеристик.

Питанням дослідження і встановлення закономірностей для роз­рахунку параметрів біогазових установок присвячена значна кількість наукових робіт російських і зарубіжних учених [233, 234, 236].

Проте, закономірності процесу метанового зброджування, що враховують всю складність взаємостосунків між групами і видами ба­ктерій, а також різноманітність складу субстратів, надзвичайно скла­дні і багато в чому не вивчені [244]. У практиці досліджень і проекту­вання установок анаеробного зброджування в даний час користуються емпіричними моделями процесів, заснованими на рівняннях мікро­бної кінетики і теорії хемостата [245, 246].

image121 Подпись: dL -Pmax ' X • L dt y(Kd+L) Подпись: (6.1)

Одна з найвідоміших — модель Моно — відображає залежності пи­томої швидкості росту мікроорганізмів і постійної напіврозпаду орга­ніки від ряду умов протікання процесу ферментації:

де у =dx/dt — коефіцієнт трансформації субстрату в біомасу; dx/dL — швидкість росту мікроорганізмів, доба-1,

X — концентрація мікроорганізмів, кг/м3,

L — концентрація субстрату, кг/м,

dL/dt — швидкість зміни концентрації субстрату, доба-1,

Ртах — максимальна питома швидкість росту мікроорганізмів, доба-1,

KL — константа напівнасичення концентрації субстрату, при якій швид­кість процесу складає 1/2 від максимальної,

Kd — константа розпаду біомаси.

Нм[6]/м3,

Подпись: і+іо(рК-рН) Подпись: а-р^ 1 + К„ Подпись: (6.2)

Недоліком моделі Моно є неможливість опису процесу за часом і те, що вона має обмежений круг застосування для різних видів суб­стратів. Іншою спробою математично описати процес метанового бродіння є модель, розроблена Муянгом [246]

де Р — питомий вихід біогазу,

L — кількість початкових органічних речовин, кг,

Кт — час повного обміну субстрате, доба,

a, Р — коефіцієнти, залежні від природи вуглеводної фракції, субстратів і кількості органічного азоту у відходах,

рК і pH — константи, залежні від температури, доба-1.

’ Нм3/м3,

image127 image128 Подпись: (6.3)

У цій моделі дається спроба проаналізувати вплив складу органічної речовини початкового субстрату на інтенсивність процесу зброджування, виділені такі параметри, як склад вуглеводневої фрак­ції субстрату і кількість органічного азоту. З існуючих кінетичних мо­делей модель Канто може бути застосована до ширшого класу почат­кових субстратів [247, 248]. Вона описується з деякими допущеннями об’ємної швидкості виходу біогазу залежно від найважливіших пара­метрів процесу анаеробної ферментації

з

S — початкова концентрація органічної речовини в субстраті, кг/м ;

Т — час експозиції, доба,

ц — максимальна питома швидкість росту мікроорганізмів у заданому про­цесі ферментації, доба-1;

К — кінетичний параметр.

Кінетичний параметр виражає залежність виходу біогазу від концентрації органічної речовини в субстраті в інтервалі температур від ЗО до 60 °С. При S=30… 100 г/л, К=1,5.. .2,0; при S=100… 150 г/л, К=2… 11,0. Максимальна питома швидкість росту мікроорганізмів (ц) описується лінійною функцією в діапазоні температур від ЗО до 60 °С. Хасімото в своїх дослідженнях вивів емпіричну формулу залежності кінетичного параметра К від температури процесу і часу витримки при толерантному (Т=45 °С) і термофільному (Т=60 °С) режимах [275]

К = [-0,947-0,5140+0,0112(Т)+0,0004(Т2)].

Подпись: Y-V « ІГ Подпись: в0-умп (і + л/к)2 ’ Подпись: (6.4)

Розрахунок максимального виходу біогазу він запропонував по формулі

де Т — температура процессу, К,

К — кінетичний параметр,

Bq — граничний вихід біогазу з одиниці органічної речовини заданого складу при нескінченному часі експозиції, м3/кг;

So — початкова концентрація органічної речовини в субстраті, кг/м ;

Мп — швидкість росту мікроорганізмів у заданому процесі ферментації, до­ба-1;

Залежність величини кінетичного параметра від концентрації органічної речовини в початковому субстраті

К = 0,5 + 0,03exp (0,058).

Бактерійний баланс в зброджуваному субстраті

— = px-Dx, (6.5)

dt

де х — концентрація бактерій, кг/м3;

D — швидкість відмирання, доба1; ц — швидкість росту, доба1 .

Подпись: у-У Подпись: Bp-S Х К(1 + KD• Є) Є L 0 ■ р - (1 - К ■ Д0) - (1 - К) J5 Подпись: (6.6)

Хилл в своїй роботі доповнив модель Канто, ввівши в неї коефі­цієнт К, що враховує загибель мікроорганізмів в процесі зброджуван­ня

де 0 — час витримки субстрату в метантенку, 0 =V/VS.

Темп навантаження метантенка по органіки визначили як VS/V, де VS — темп отримання летючих твердих речовин з ферми, залежний від числа тварин і раціону їх годування;

V — об’єм метантенка.

У приведених формулах фігурує параметр S — концентрація ор­ганічної речовини в початковому субстраті і приводяться значення емпіричних коефіцієнтів моделі, що відображають окремі випадки по­за залежністю виходу біогазу від складу органічної речовини.

Інженерні моделі для визначення продуктивності біогазу найчас­тіше є емпіричними і регресійними залежностями, які одержані для певного біомаси за певних умов.

image136 Подпись: (6.7)

Тому при використовуванні цих залежностей потрібно провести експерименти з метою визначення емпіричних коефіцієнтів [249]. У роботі [250, 251] представлені експериментально виявлені за­лежності інтенсивності газовиділення від дози добового завантаження метантенка в діапазоні вогкості 86…98 %. Ефективність біогазової установки визначається критерієм ступеня розпаду сухої органічної речовини, оскільки від нього залежить відношення C/N в зброджено — му гної, отже, і його властивості добрива. Для визначення цього па­раметра запропонована формула

де d — доза добового завантаження метантенка, %;

Рб — густина біогазу, кг/м3;

Рн — густина навозу, кг/м3;

З з

Vc — питомий вихід біогазу, м /м сут;

W — вогкість біомаси, %;

Ас — зольность біомаси, %.

З рівняння (6.7) видно, що шуканий параметр є функцією інтен­сивності газовиділення, а вона, у свою чергу, залежить від дози добо­вого завантаження метантенка. Враховуючи, що вихід біогазу визна­чити без попередніх експериментів неможливо, те визначення ступеня розпаду сухої органічної речовини скрутне. Для визначення об’єму метантенка У0 застосовують формулу

У0 = тДоб’То, (6.8)

Рн’Л

де иідоб — добовий вихід біомаси з ферми, т; т0 — цикл зброджування, доба; г|=0,95 — коефіцієнт використовування метантенка; рн — густина біомаси, т/м3.

Проте ця формула не враховує величини об’єму виходу біогазу, а також ступінь розпаду сухої органічної речовини. Вона дозволяє ви­значати об’єм метантенка тільки по заданому часу витримки біомаси в метантенку. У формулі, описаній в джерелі [252], встановлений зв’я­зок між дозою добового завантаження метантенка, об’ємом метантен­ка і виходом біогазу

Подпись:Vm mc • L • (100 — W) • (100 — Ас) • (1 + Р)

ioo3-Pp-vc

де иідоб — добовий вихід біомаси з ферми або доза добового завантаження, кг;

L — ступінь розпаду сухої органічної речовини, %;

W — вогкість біомаси, %;

А — зольность біомаси, %;

Р — коефіцієнт об’ємного розширення біомаси, рр — густина біогазу, кг/м3;

З з

Vc — питомий вихід біогазу з одиниці об’єму метантенка, м /(м — доба).

У цій формулі присутній ступінь розпаду сухої органічної речо­вини L, який є функцією дози добового завантаження. Найпоширені­шим розрахунковим параметром, а також критерієм оцінки інтенсив­ності роботи анаеробних реакторів є питоме навантаження на одини­цю об’єму реактора по органічній речовині.

Її величина визначається такими чинниками, як концентрація мі­кроорганізмів в реакторі, інтенсивність масообміну, метаболічна ак­тивність мікроорганізмів. Остання, у свою чергу, залежить від темпе­ратури в реакторі, складу і концентрації гнойових стоків, їх pH і луж­ності, зміст біогенних і токсичних речовин.

Стосовно установок для анаеробного зброджування біомаси зви­чайно застосовують показник — доза добового завантаження, яке зна­ходиться в прямій функціональній залежності від питомого наванта­ження на одиницю об’єму реактора. Доза добового завантаження є ви­значальним параметром, що впливає на ефективність роботи біогазо — вої установки, від якої залежить питомий вихід біогазу з одиниці об’­єму зброджуваного біомаси, ступінь розпаду органічної речовини в початковому гної і ступінь знезараження. У свою чергу цей параметр робить вплив на вихід товарного біогазу і об’їм метантенка. Тому де­які дослідники дають просто рекомендації по її величинах, які знахо­дяться в широких межах і складають від 1 до 20 % від об’єму мета — нтенка або 1… 10 кг сухої органічної речовини на 1 м біомаси в добу [З, 252].

Одним з основних призначень біогазових установок є отримання біологічного газу, утилізація якого повинна забезпечити отримання додаткової енергії. Не дивлячись на те, що більшість фахівців вважає метаногенез перспективним і прогресивним методом переробки від­ходів тваринництва, супротивники цього методу виказують побою­вання відносно негативного енергетичного балансу установок. В цьо­му випадку, як критерій ефективності біогазової установки, може бу­ти прийняте умова отримання товарного біогазу або коефіцієнт витра­ти енергії на власні потреби установки. [250]. В зв’язку з цим була ви­конана велика кількість робіт, присвячених вивченню теплофізичних властивостей біомаси, методам його нагріву при підготовці до збро­джування, визначенню тепловтрат в процесі зброджування, а також розрахункам енергетичного балансу біогазових установок [250]. На підставі виконаних досліджень було одержане рівняння теплового ба­лансу біогазової установки, загальний вид якого можна представити як

Qsar — Qi + Q2+ Q3+ Q4+ Qs+ Qe 5 кКап (6.10)

Де Q3ar — загальна добова кількість тепла, необхідне для здійснен­ня процесу, кКал;

Qi — кількість тепла, необхідне для попереднього нагріву добової дози початкового біомаси до температури вибраного режиму, кКал,

Q2, Q3, Q4, Q5, Qe, — відповідно втрати тепла в добу: у трубопро­воді, сполучаючим установку для нагріву з проміжною місткістю; у проміжній місткості; у трубопроводі, що сполучає проміжну ємність з камерою для зброджування; через стінки камери зброджування; з біо — газом, що виділяється, кКал.

Складові цього рівняння визначаються по відомих законах теп­лотехніки або експериментально для кожної конкретної установки [253, 254-263].

За наслідками визначення загальних витрат тепла і енергії і порі­вняння їх з енергією одержуваного біогазу робиться висновок про ефективність біогазової установки. Проте такий висновок можна зро­бити лише після того, як установка запроектована або побудована, оскільки основні залежності для розрахунку параметрів зброджуван­ня, рівняння (6.7), (6.8) і (6.9) не знаходяться в якій або функціональ­ного зв’язку з її теплотехнічними характеристиками рівняння (6.10).

З вище представлених емпіричних моделей виходить, що вони надзвичайно складні і розроблені стосовно певного виду субстрату. Використовування їх для розрахунків кінетичних параметрів процесу обробки біомаси і гнойових стоків надзвичайно скрутне і вимагає практично наново проведення досліджень за визначенням рівнянь мі­кробної кінетики. Стосовно розрахунку кінетичних параметрів оброб­
ки біомаси і гнойових стоків, таких даних поки немає. Тому практич­но всі дослідники при розрахунку кінетики процесу обробки біомаси користуються емпіричними залежностями, одержаними в результаті власних експериментів.

Це значно утрудняє розробки установок, здатних забезпечити ефективне виробництво біогазу з біомаси з різними фізико-механічни — ми властивостями.

Оставить комментарий