Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Розглянувши різні види біогазових установок основною час­тиною, яких є біогазовий (анаеробний) реактор можна сказати, що анаеробний реактор (АР) дозволяє досягти високого ступеня збро­джування органічної речовини, при невеликому часі утримання. Це досягається за рахунок іммобілізації симбіозу мікроорганізмів, зок­рема метанообразуючих, на жорсткому носієві, рівномірно розподі­лених за робочим обсягом реактора АР [2, 300, 318]. Анаеробний реактор розглядаємо, як закриту хемостатну систему, в якій вине­сення анаеробної мікрофлори не перевищує її наростання в реакто­рі АР.

Енергетичні потоки, що проходять через анаеробний реактор можна представити у вигляді схеми (рис. 7.16).

Прибуткова частина енергетичного балансу анаеробного реак­тора, містить енергію (Еі) ув’язнену в рідкій фракції гною з пер­винних (Егшр) і рідкій фракції з вторинних реакторуючих пристроїв (Етпр). Рідкі фракції, що поступають в АР, мають велику вологість (більше 97 %) і є стоками [319]. Тому прибуткова частина енерге­тичного балансу є енергією стоків (Ej).

Еі Елнр Епф.

Витратна частина ділиться на два потоки. Перший потік — це кількість енергії що виходить з анаеробного реактора з переробле­ними стоками (Е3). Другий потік виходить у вигляді біогазу (Е5). що отримується в результаті конверсії органічної речовини в АР.

Енергетичні потоки, що проходять через систему (АР) можна представити у вигляді рівняння енергетичного балансу:

Е,=Е,+Е5. (7.73)

Кількість енергії ув’язненої в перероблених стоках складаєть­ся з енергії органічної речовини (Еов), що не розклалася, і енергії анаеробної біомаси (Е6м). З потоком енергії перероблених стоків (Е3), з АР виходить енергія витрачається на попередній нагрів (Е4).

Е, = Еов+Е6м+Е,. (7.74)

На кількість енергії ув’язненої в біогазі роблять вплив безліч чинників. В результаті аналізу чинників, встановлено що основни­ми є: вологість стоків (В); доза завантаження стоків в АР (Д); тем­пература середовища зброджування (Тс); гідродинамічне обурення усередині анаеробного реактора (Ар ). Таким чином, кількість енер­гії в отримуваному біогазі можна виразити функціональною залеж­ністю:

Е5 =/(В, Д, Тс, Др). (7.75)

Для ефективного перебігу процесу метанового зброджування в анаеробному реакторі, необхідні певні витрати енергії (Ею), які заповнюються перерозподілом частини енергії біогазу (Е5). Кіль­кість енергії, що залишилася, складає товарну енергію (Е6), яка мо­же бути направлена на різні потреби сільськогосподарського виро­бництва. Таким чином, балансова частина перерозподіл енергії біо­газу складе:

Е5=Е, с + Е6. (7.76)

Енергія споживання, що витрачається на власні потреби, скла­дається з витрат енергії на підтримку температурного режиму в
анаеробному реакторі (Е9), витрат енергії на транспортування сто­ків усередині анаеробного реактора (Е7), і витрат енергії на ство­рення гідродинамічних обурень в анаеробному реакторі (Es).

(7.77)

Основна кількість енергії витрачається на підтримку темпера­турного режиму в анаеробному реакторі. Ці витрати енергії необ­хідні: для попереднього нагріву стоків до номінальної температури і підтримки заданої температури зброджування в реакторі анаероб­ного реактора (Тс) [2, 311, 318]. Витрати енергії на попередній на­грів (Е4), вийдуть з анаеробного реактора спільно з потоком енергії, ув’язненою в перероблених стоках. Потік енергії (Е2), що ви їрача — єгься на підтримку заданої температури в анаеробному реакторі, обумовлений втратами тепла через стінки в навколишнє середови­ще. У загальному вигляді, витрати енергії на підтримку температу­рного режиму можна виразити у вигляді функціональної залежнос­ті:

(7.78)

де Сп — теплоємність стоків, Дж/(кг-К);

Тв — температура повітря, К;

— швидкість руху повітряних мас, м/с;

6СТ — товщина теплоізоляційного шару, м;

Х^ — теплотехнічні властивості теплоізоляційного шару.

Витрати енергії на транспортування стоків обумовлені, гідра­влічними характеристиками трубопроводів, робочого об’єму анае­робного реактора і властивостями реологій стоків. Витрати (Е7), та­кож можна представити у вигляді функціональної залежності:

E7=/(h, Xh„,un, M.,M2),

де h — втрати питомої енергії (втрати натиску) по довжині, м,

У К — сума місцевих втрат питомої енергії, м;

— швидкість руху стоків, м/с;

— масова витрата рідкої фракції після першого ступеня розділення, кг/с;

— масова витрата рідкої фракції після другого ступеня розділення, кг/с.

Втрати енергії на створення гідродинамічних обурень (Eg), обумовлені технологічними і конструктивними чинниками. Гідро­динамічні обурення в анаеробному реакторі, дозволяють інтенсифі­кувати життєдіяльність метанообразуючих мікроорганізмів, а зна­чить підвищити біоконверсію орі-анічної речовини що міститься в стоках. Енергія, що утворюється в результаті обурень, перетворить­ся в реакторі в теплову енергію. Це дозволить скоротити витрати енергії на підтримку температурного режиму в анаеробному реак­торі, зокрема на потік енергії (Е2).

У загальному вигляді, витрати енергії на створення обурюю­чих дій можна виразити функціональною залежністю:

Е8=/(В, Д,Др, Ди, Ьг),

де Др зміна тиску в реакторі АР (гідродинамічне обурення), кПа;

До — зміна швидкості в анаеробному реакторі, м/с; hr — висота газорідинного трубопроводу, м.

Важливим завданням для оцінки енергетичної ефективності роботи АР, є вибір параметра оптимізації. Виходячи з системного аналізу енергетичних можливостей анаеробного реактора, парамет­ром оптимізації доцільно прийняти коефіцієнт корисного викорис­тання енергії (КВЕ). Під КВЕ розуміється відношення кількості то­варної енергії до кількості потенційної енергії ув’язненої в стоках, виражене у відсотках [311].

де Е6 — товарна енергія, кДж;

Еі — енергія, зв’язана в стоках, кДж.

Кількість енергії, ув’язненій в стоках, визначається змістом органічних речовин, тобто енергії основних складових: білків (Q6lJ, вуглеводів (Q0yi71), жирів (Q*lip).

(7.82)

У кінцевому вигляді кількість товарної енергії, згідно рівнянь (7.76) і (7.77), можна виразити як:

Збільшення виходу товарної енергії можна досягти двома шляхами: зменшенням витрат енергії на власні потреби на рівні не­обхідному для ефективної роботи АР, і за рахунок збільшення час­тки енергії шо міститься в біогазі. Це, можливо, досягти шляхом оптимального вибору значень технологічних і конструктивних чинників. Також на вихід товарної енергії роблять вплив природно — кліматичні чинники.

Логічну схему рішення даної задачі можна представити у ви­гляді структурної системи, рис. 7.17.

Чинники довкілля
(const)

Рисунок 7.17- Структурна система оптимізації роботи реактора [311,318]

Рішення задачі оптимізації можливе за допомогою системи рі­внянь, об’єднуючої основні залежності:

KRE ——100 %;

Е.

Ее = Es-(E7+E9 + E,);

• Е5 = /(В, Д.Тс, Др);

Е« = ■/"(Е’СІ»Д»Тс, Дрс, Т1,и1,8СІ, ХсГ);

E7 = /(h, Ih„,ocr, M„M2):

Е, =/(В, Д,Др, Ди, Ііг).

7.6 Математична модель роботи анаеробного реактора

У зв’язку із зростанням населення, його концентрацією в міс­тах і розвитком промислового виробництва продуктів харчування, останнім часом стає все більш актуальною проблема ліквідації ор­
ганічних 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 біореак го­рами 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]

де VT — кількість товарного біогазу, м3;

Vi— загальна кількість отриманого біогазу, м3;

Qch — витрата енергії на власні потреби установки, кДж;

X — теплотворна здатність біогазу, кДж/м3.

У міру отримання біогазу його кількість при т = ттіп досягає величини, достатньої для повної компенсації витрат тепла на нагрів біомаси та всіх теплоенерговитрат (V, A = QC11). Досягши рівності

значенні = —k процес зброджування біомаси слід припини­

сь dT

ти, оскільки при подальшому утриманні біомаси в метантенкі енер­гія тепловтрат не буде компенсована енергією отриманого біогазу. Аналогічно, рішення задачі отримання товарного біогазу V, = f (т) та витрати енергії на процес його отримання Оаі=б(т), з подаль­шим визначенням оптимального часу (т„) зброджування біомаси в метантенке. Залежність Vr = f(t) може бути визначена експеримен­тально для біомаси, вигляд та склад якого залежать від конкретних умов кожної тваринницької ферми. Математична обробка таких ек-

■ dVr.

спериментальних даних показує, що залежності —L = /(x) відпо-

d х

відає емпіричне рівняння [2, 300, 318]:

де а, Ь, с — емпіричні коефіцієнти, значення яких визначаються за нас­лідками обробки досвідчених даних;

х — тривалість бродіння (т=19 діб);

Уц — об’єм зброджуваного біомаси, м3.

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

QBn =<)„+<)п-з, кДж, (7-86)

де Qh витрата енергії на попередній нагрів біомаси до температу ри бродіння;

Qn — добова витрата енергії на компенсацію всіх теплов трат, 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 QbI (рис. 7.18), що видаляється, дане пи­тання детально описане та розглянуте в статтях авторів [310-318].

Рисунок 7.18- Розрахункова схема теплового балансу біореактора [311]

Тепловтрати через захищаючі поверхні метантенка в добу:

QHC =k F (Тв — Т|1)-8.64 104, кДж/доба, (7.87)

де: k — коефіцієнт теплопередачі, кВт/м2. К;

F — площа захищаючих поверхонь метантенка, м2;

Т„ — температура зовнішнього повітря, К;

Т„ — температура біомаси, що подає в метантенк, К.

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

Qn = vr сі (Tr — Тв) > кДж/добу, (7.88)

де Vr — добовий об’єм біологічного газу, що виділився, м3/добу;

Сг — об’ємна теплоємність біологічного газу, кДж/(м3 К);

Тг — температура біологічного газу на виході з меі антенка. К;

Т„- температура навколишнього повітря, К.

Тепловтрат із збродженою біомасою, що видаляється

QBM=%rCH -(T2-TH), кДж/добу, (7.89)

де Vh — об’єм біомаси, що видаляється з метантенка в добу, м3;

Сн — об’ємна теплоємність біомаси, кДж/м3;

Т2 — температура біомаси на виході з метантенка, К.

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

QM = 24 Vh ‘ ~ > кД^Добу. (7.90)

W„-4M 8

де Nm — потрібна потужність насоса або перемішуючих пристроїв, кВт;

WH — продуктивність насоса, м3 /ч;

Пм — 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:

y = fl——^1 100 %, (7.91)

I 100j

де: <3 — доза добового завантаження, %, т — тривалість бродіння; приймаємо т = 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 (7.93) дає можливість оцінювати як характер тепло­вого балансу процесу бродіння біомаси, так і оптимального режиму отримання товарного біогазу.

7.7 На} сова передумова об’єднання трьох стадій анаеробного зброджування біомаси в єдиний цикл

Висунута теорія щодо об’єднання трьох стадій анаеробного зброджування в єдиний цикл на основі теоретичних досліджень.

Оскільки процес окислення пов’язаний з проходженням різних проміжних етапів, що запропоновано науковими передумовами при анаеробними зброджуванні посліду має місце ступінчастість звільнення хімічної енергії окислюваного субстрату. Пропонується об’єднати в єдиний цикл три стадії анаеробного перетворення — мезофільний до 35°С, проміжну — 35…45°С, термофільну 45…55°С на установці безперервної дії.

теоретичні дослідження процесу анаеробного зброджування свинячого посліду представлені до обґрунтування можливості об’єднання в єдиний цикл трьох стадій технології зброджування відходів біомаси.

В 50-х роках минулого століття уперше була помічена біохімічна природа розпаду клітковини. Виділення метану і водню при бродіння речовини вміщуючи целюлозу та річковий мул були виявлені російським дослідником Л. Поповим. Ті ж продукти виявили при аналізі продуктів гною в анаеробних умовах. У кінці минулого століття виведені В. Л.Омельянським повні роз’яснення цих процесів. Він встановив, що в анаеробному розкладанні клітковини беруть участь два види бактерій [60].

Одна форма дістала назву cellulosae mcthanicus. Вона значно менша від попередньої, а загалом цілком аналогічна. Одна з бактерій утворює значну кількість метану, в той час як інша спороносна має форму барабанної патички (рисунок 7.19) [60,48] і утворює серед продуктів зброджування клітковини значну кількість водню.

Інша форма була названа Омельянським cellulosae hydrogenicus (рисунок 7.20). Вона вигляд довгих патичок (10-12ід ). На одному з кінців клітини утворюються спори, при цьому відбувається здуття кінця і бактерія набуває вигляду барабанної палички.

Так, з відходів тварин вдалося виділити Вас. Cellulosae dissolvens (рисунок 7.19 збільшення 1500), краще всього розкладаючу клітковину при температурі 45. ,55°С.

Зверху — молоді клітини; у центрі — барабанні палички; Знизу — спори. Збільшення 1000 Bacillus celluloses hydrogenicus

рисунок 7.19 — Різновид клітин

В — В. Первозванським досліджувалися аналогічного типу культури термофільних зброджуючи клітковину бактерій.

Більшість дослідницьких робіт по вивченню бродіння клітковини проводились з очищеними культурами термофільних бактерій.

А. А.Імшенецькиму вдалося уточнити морфологічну характеристику целюлозорозкладаючих бактерій, отримані чисті культури, а також він дав детальніші відомості про їх фізіологію [48, 102].

Рисунок 7.20 — Клітини Bacillus celluloses dissolvens

Для водневого і метанового бродіння клітковини загальна схема представляється в наступному вигляді:

1. (С6Н10О5) п + пН20 = пСбНпОе,,

2. С6Н1206 -> СН2СН2СН2СООН + СН2СООН + Н2 + С02 + хСа!

3. С6Н1206 -> СН3СН2СН2СООН +СН3СООН + СРЦ + С02 +хСаІ

Для різних процесів життєдіяльності організмами використовується хімічна енергія, яка звільняється в результаті окислення. Енергія хімічних реакцій окислення використовується

280

живою клітиною тільки у тому випадку, якщо в ній € з’єднання, що беруть участь як в реакції, енергії, що супроводжується виділенням, так і в реакції, споживаючій її [І02].

Ступінчастість звільнення хімічної енергії окислюваного субстрату’ відбувається при анаеробному зброджуванні, оскільки процес окиснення пов’язаний з проходженням різних проміжних етапів. Аденозинтрифосфат — хімічний посередник, що використовується у реакціях звільняючих енергію і споживаючих її. Кожна макроергічна фосфатна частина рівноцінна 40..48 кДж енергії [48,102].

Участь закумульованої у фосфатних зв’язках енергії може проводитися різними шляхами. Через ці взаємодії термодинамічно неможливі реакції стають можливими і здійснюються мимоволі. Спочатку відбувається гідроліз до глюкози, після чого зброджується клітковина. Після умертвіння бактерій спостерігається накопичення глюкози, через те, що фермент целюлози зберігає при цій переробці свою активність, а ферменти стають не активними [3, 102].

Спори бацили метанового субстрату починають проростати дуже швидко через зараження інфекційним матеріалом від болотяної рідини. Для розвитку анаеробних бактерій необхідна супутня мікрофлора, що знижує окислювально-відновний потенціал середовища і збагачує її складними азотистими з’єднаннями. Якщо мікрофлора середовища сприятлива, то розвиваються мезофільні бактерії за допомогою яких проростають термофільні бактерії.

Комментарии запрещены.