Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

У зв’язку із зростанням населення, його концентрацією в міс­тах і розвитком промислового виробництва продуктів харчування, останнім часом стає все більш актуальною проблема ліквідації ор­ганічних відходів життєдіяльності людини. Зазвичай побутові від­ходи просто викидають на звалище. Але в сучасних містах викида­ється стільки всяких відходів, що вони вже створюють серйозні екологічні проблеми. Одним з шляхів утилізації органічних відхо­дів, є використання біореакторів — великих контейнерів, в яких штучно створюються умови для швидкого розкладання відходів. При цьому можливе використання продуктів розкладання: газ, що виділяється, можна використовувати для опалювання приміщень або для інших подібних цілей, а тверді продукти є хорошим добри­вом. Для ефективного проектування і управління такими біореакто — рами необхідно використовувати сучасні математичні методи. Тому виникає актуальна проблема розробки адекватних математичних моделей процесів, що протікають в біореакторах по утилізації орга­нічних відходів і методів управління ними. Органічні відходи є складною екосистемою, що складається з різних видів мікрооргані­змів, продуктів їх життєдіяльності і ряду інших речовин, які для одних видів мікроорганізмів служать живленням, а для інших — нейтральною, або отруйливим середовищем. Виникає досить скла­дна система біохімічних процесів, що пов’язана з життєдіяльністю мікроорганізмів, супроводжується тепло — і масообміном, хімічними і іншими перетвореннями. Проблема моделювання та управління біореакторами і біохімічними процесами є актуальною, але треба зробити обґрунтування параметрів анаеробного реактора.

Основні параметри функціонування біоенергетичного реа­ктора. Сучасні біогазові установки засновані на використанні реак­торів, що підігріваються, оскільки для здійснення процесу метано — генеза необхідно постійно витрачати енергію. Ефективне виробни­цтво біогазу можливе тільки у тому випадку, коли сумарна енергія газу буде значно вища за витрати енергії на його виробництво. З метою зниження енергії виробництва біогазу, можливе викорис­тання теплоти охолоджуючої рідини ДВС, температури відхідних газів, для нагріву біомаси в біореакторі. Умова отримання товарно­го біогазу може бути представлена математично з урахуванням те­плового балансу біореактора [2]

VT = Vr-%!-,M3, (6.157)

к

де VT — кількість товарного біогазу, м3;

Vr — загальна кількість отриманого біогазу, м3;

Qch — витрата енергії на власні потреби установки, кДж; к — теплотворна здатність біогазу, кДж/м3.

У міру отримання біогазу його кількість при х = хп1іп досягає величини, достатньої для повної компенсації витрат тепла на нагрів біомаси та всіх теплоенерговитрат (V, — к = QCH). Досягти рівності

значенні • к = процес зброджування біомаси слід припини­сь dx

ти, оскільки при подальшому утриманні біомаси в метантенкі енер­гія тепловтрат не буде компенсована енергією отриманого біогазу. Аналогічно, рішення задачі отримання товарного біогазу Vr = f (т)

та витрати енергії на процес його отримання QCH =f(т), з подаль­шим визначенням оптимального часу (тош) зброджування біомаси в метантенке. Залежність Vr = f (т) може бути визначена експеримен­тально для біомаси, вигляд та склад якого залежать від конкретних умов кожної тваринницької ферми. Математична обробка таких

повідає емпіричне рівняння [2, 300, 318]:

де a, b, с — емпіричні коефіцієнти, значення яких визначаються за нас­лідками обробки досвідчених даних;

т — тривалість бродіння (т=19 діб);

Vh — об’єм зброджуваного біомаси, м.

Тепловий баланс біореактора. Витрата енергії на власні потреби визначається по залежності:

Qb^Qh+Qii-^kA^ (6.159)

де Qh — витрата енергії на попередній нагрів біомаси до температури бродіння;

Qn — добова витрата енергії на компенсацію всіх тепловтрат, кДж/добу.

Тепловтрат, Qn, включають енерговитрати на привід перемі­шуючих пристроїв Qm, втрати енергії з сбраженной біомасою QBm, що видаляється, втрати енергії в навколишнє середовище QHc, втрати енергії з біогазом QBr (рис. 6.29), що видаляється, дане пи­тання детально описане та розглянуте в статтях авторів [310-318].

Рисунок 6.29 — Розрахункова схема теплового балансу біореактора [311] Тепловтрати через захищаючі поверхні метантенка в добу:

QHC = k-F-(TB-TH)-8,64-104, кДж/доба, (6.160)

де: k — коефіцієнт теплопередачі, кВт/м. К;

Т7 2

т — площа захищаючих поверхонь метантенка, м ;

Тв — температура зовнішнього повітря, К;

Тн — температура біомаси, що подає в метантенк, К.

Теплових втрат, з біогазом, що йде, визначаються по рівнян­ню:

QBr = Vr-Cr-(Tr-Тв), кДж/добу, (6.161)

де Vr — добовий об’єм біологічного газу, що виділився, м /добу;

Сг — об’ємна теплоємність біологічного газу, кДж/(м — К);

Тг — температура біологічного газу на виході з метантенка, К;

Тв- температура навколишнього повітря, К.

Тепловтрат із збродженою біомасою, що видаляється

Qem = VH • СН • (Т2 — ТН ), кДж/добу, (6.162)

де Vh — об’єм біомаси, що видаляється з метантенка в добу, м ;

Сн — об’ємна теплоємність біомаси, кДж/м ;

Т2 — температура біомаси на виході з метантенка, К.

Витрати енергії на привід перемішуючих пристроїв і допомі­жного устаткування визначаються по формулі:

де Nm — потрібна потужність насоса або перемішуючих пристроїв, кВт; WH — продуктивність насоса, м3 /ч; рм — ККД перемішуючого пристрою;

1/8 — означає, що перемішуючий пристрій працює тільки 1/8-му части­ну (3 години) в добу.

Враховуючи недовантаження метантенка, щільність біомаси Ph, коефіцієнт залишку дози добового завантаження метантенка визначається по рівнянню:

де: d — доза добового завантаження, %,

х — тривалість бродіння; приймаємо х = 19 діб = 3…5%[311].

Отже, час, протягом якого відбувається бродіння біомаси з отриманням товарного біогазу можна визначити по залежності:

Або інтегральний вираз (6.165) можна представити у формі:

Рішення (6.166) дає можливість оцінювати як характер тепло­вого балансу процесу бродіння біомаси, так і оптимального режиму отримання товарного біогазу.

Найважливішим чинником, що впливає на ситуацію в енерге­тиці і економіці України, є істотне збільшення цін на енергоносії, зокрема, на природний газ. У зв’язку з чим, ще актуальнішим стає завдання пошуку альтернативних джерел енергії.

Технології утилізації біомаси знаходяться на початку свого розвитку в Україні і мають хороші перспективи при комерціалізації в найближчому майбутньому [2, 300, 318], особливо в світлі різкого підвищення вартості природного газу. Розглянемо детальніше роз­робку ресурсозберегаючої технології і методику розрахунку мате­ріального балансу свинячого гною, як одного з видів біомаси.

Для вирішення більшої частини проблем, що виникають при використанні гідравлічних систем видалення свинячого гною, за­пропонована технологічна схема переробки свинячого гною. Вона заснована на глибокій анаэробной переробці рідкого свинячого гною і полягає в роздільній обробці рідкої і твердої фаз в спеціалі­зованих установках анаэробного зброджування і включає ряд по­слідовних і паралельних операцій (рис. 6.30).

—— тверда фракція;…. — рідка фракція;——— біогаз Рисунок 6.30 — Схема технологічної лінії переробки свинячого гною

Рідкий свинячий гній, після прибирання тваринницьких при­міщень 1, самоплив поступають в резервуар збору гнойових стоків 2. Об’єм резервуару, з міркувань можливих аварій на потоковій лі­нії, призначається не менш добового виходу стоків. Насосом 3 рід­кий гній, у разі виникнення епізоотії на фермі, перекачується в са-

нітарне сховище гною 16, де піддається знезараженню хімічними реагентами або термічним методом із застосуванням параструмин — них апаратів.

При роботі в штатному режимі, гній подається в установку ві­дцентрового розділення на фракції першого ступеня 4 [2, 300, 318]. Установка працює з ефективністю розділення на фракції 45…75 % по сухій речовині при вологості твердої фракції 90…92 %. Відміт­ною особливістю установки є робота в проточному режимі.

Тверда фракція, гній вологістю 90…92 %, поступає в резерву — ар-попередзброджуватель метантенка 5, де відбувається змішуван­ня з осадом, який поступає з анаеробного фільтру 11, вологістю 94 %, оброблений анаеробною мікрофлорою. Остання обставина спри­яє інтенсифікації процесу метанового зброджування, оскільки для нього характерна низька швидкість приросту анаеробної біомаси. Оброблюваний гній в резервуарі 5 нагрівається до 35 °С, оптималь­ної температури зброджування в мезофільном режимі. Об’єм резер­вуару визначається добовою подачею в нього гною, оскільки заван­таження в метантенк 7 здійснюється циклічно, раз на добу. Заван­таження проводиться фекальним насосом 6.

Гідравлічний час витримки гною в метантенку 7 складає 15 діб, що відповідає дозі завантаження 6,67 %. При заданому режимі роботи, ступінь розкладання органічної речовини гною складе

35.. .40 % з конверсією його в біогаз. Об’єм метантенка 7 складе 15- кратну добову подачу з резервуару 5.

Оброблений шлам подається самоплив в пристрій фільтрую­чого розділення на фракції другого ступеня 8 [311]. Принцип робо­ти пристрою заснований на пресовому віджиманні рідкої фази (фу — гата) з оброблюваної маси з постійною вібрацією решета, з метою запобігання забиванню його отворів. Ефективність розділення на фракції установки складає 85…95 %. Вологість твердої фракції

60.. .75 %. Тверда фракція є цінне органічне добриво. У нім знище­ні, в результаті анаеробного зброджування, патогенна мікрофлора, яйця гельмінтів і насіння смітних рослин. Добриво не має неприєм­ного запаху. Знаходиться в рихло-сипкому стані, що спрощує його транспортування і внесення до ґрунту. Значна частина біогенних речовин мінералізована, що робить їх доступнішими для живлення рослин і дозволяє вносити добриво до ґрунту в рік отримання. При цьому втрати біогенних речовин виключені, у тому числі і азоту, що вигідно відрізняє пропоновану технологію від інших. Добриво насичено ферментами, що сприятливо впливають на біохімічні ґру­нтові процеси. В цілому отримуване добриво має значну комерцій­ну цінність. Отримані добрива складуються на спеціально підгото­влених майданчиках.

Фугат, оброблений анаеробною мікрофлорою, від пристрою 8 надходить в резервуар-попередзброджуватель анаеробного фільтру 9, де змішується з рідкою фракцією, отриманою після першого сту­пеня розділення на фракції, і нагрівається до температури 35 °С. Об’єм резервуару 9 рівний сумі добових подач в нього рідких фрак­цій.

Насос 10 подає рідку фракцію в анаеробний фільтр І безперер­вно. Гідравлічний час витримки маси в реакторі анаеробного фільт­ру 11 складає 1 добу, тобто доза завантаження складає 50 %. Об’єм реактора рівний об’єму добового виходу рідкої фракції з пристроїв розділення гною на фракції. Особливістю анаеробного фільтру є ін­тенсифікація процесу анаеробного зброджування за рахунок збу­джуючих дій на реакційне середовище [2, 300, 318]. Ступінь роз­кладання органічної речовини гнойових стоків в пристрої складає

60.. .84 %). При анаеробній обробці значно збільшується здатність свинячого гною до седиментації. Тому, з причини відносних низь­ких швидкостях руху потоків в реакторі, анаеробний фільтр вико­нує також функцію вертикального відстійника з ефективністю роз­ділення 75 % і вологістю осаду 94 %. Осад з анаеробного фільтру 11 самоплив прямує в резервуар-попередзброджуватель метантенка

5.

Оброблені стоки, що пройшли інтенсивну обробку, можна ві­днести до умовно чистої води. Вода самоплив поступає з анаероб­ного фільтру 11 в резервуар умовно чистої води 12. Необхідна час­тина води відбирається з резервуару 12 насосом 15 і подається на свиноферму 1 для прибирання гною з приміщень системою гідро­змиву, тобто здійснюється рециркуляція технічно чистої води. За­лишок технічно чистої води в період негативних температур навко­лишнього середовища накопичується в резервуарі 12 і в теплий пе­ріод року може бути направлений на землеробські поля зрошування або в проточні водоймища. Біогаз, що отримується в результаті пе­реробки свинячого гною в метантенку 7 і анаеробному фільтрі 11, акумулюється в газгольдері 13. В міру необхідності біогаз, що є су­мішшю газів, приблизно 60 % метану (СН4) і 40 % вуглекислого га­зу (С02) [3], подається в парогазову електростанцію 14. Парогазова електростанція виробляє електричну енергію і здатна забезпечувати тепловою енергією внутрішніх і зовнішніх споживачів. У разі по­треби, зовнішнім споживачам можна реалізувати безпосередньо біогаз, як енергоносій. Об’ємна теплота згорання біогазу в серед- ньому складає 21,5 МДж/м~

Пропоновану технологічну схему можна охарактеризувати, як природоохоронну ресурсозберігаючу, оскільки вона є впорядкова­ним природним продовженням біоконверсії органічної речовини в природі. Представлена технологія дозволяє отримати енергію у ви­гляді біогазу, а також цінне органічне добриво (знезаражене, деві — талізоване і дезодороване) і технічно чисту воду, тобто вирішення проблем описаних в [311]. Аналіз матеріальних потоків, (рис. 6.31) приходящих через БЕУ, служіть основою оцінки енергетичної ефе­ктивності технологічного рішення і визначення основних конструк­тивних параметрів обладнання.

—— тверда фракція;——— рідка фракція Рисунок 6.31 — Схема матеріальних потоків, проходящих через БЕУ

Згідно запропонованої технології свинячий гній, вироблюва­ний тваринницьким підприємством в кількості (Mm,) поступає на першу ступень розділення (1). В результаті розділення отримуємо два потоки: тверду (Мпнт) і рідку (Мпнр) фракції. Зброджування тве­рдої фракції (Мпнт) проходе в метантанке (2) і супроводиться виді­ленням біогазу в обсязі(Мбі).

Збродасена маса (Мтп) поступає на другий рівень розділення (3), після чого тверда фракція прямує на приготування органічних добрив (Муд), а рідка фракція (Мтпр) в анаеробний реактор (АР) (4). Рідка фракція (Мпнр) з першого рівня розділення поступає в анаеро­бний фільтр, де зброджується із здобуттям біогазу в кількості (Мб2). Переработана рідка фракція (Мрп) з анаеробного фільтру поступа­ють на другий рівень розділення (5), в результаті отримуємо тверду фракцію (Мрпт) і рідку (технічно чисту воду) (Мтчв). Тверда фрак­ція (Мрпх) поступає на подальшу обробку в метантенк, а технічно чисту воду (Мтч в) можна використовувати для рециркуляционной системи навозоудаленія, орошения сільськогосподарських угідь і інших цілей. В результаті розгляду матеріальних потоків БЕУ отримали наступні залежності, що відображають баланс мас:

Мпн — Муд + Мт. ч.в. + Мб;

Муд — МІПП — МШр + Мрпт — Мбі,

м,„, — МІІНр — Мрпт + МТИр — Мб2,
Мб = Мбі + Мб2.

На підставі розглянутого матеріального потоку ресурсозбере — гаючої технології і з метою поліпшення К. К.Д. процесу, доцільно створити алгоритм і програму, для розрахунку окремих елементів та в цілому технологічної лінії переробки свинячого гною.

Комментарии запрещены.