Совершенствование электроимпульсной технологии при получении биогаза из органических отходов Наумова Ольга Валерьевна

Содержание к диссертации

Введение

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 9

1.1. Технологии и оборудование биогазовых установок 9

1.2. Классификация биогазовых установок 16

1.3. Роль микроорганизмов при решении топливно-энергетической задачи 20

1.4. Обзор существующих и перспективных импульсных электротехнологий 23

1.5. Постановка задач исследования 40

2. Теоретические предпосылки электротехнологического способа интенсификации выхода биогаза 42

2.1. Основные положения 42

2.2. Анализ влияния различных факторов на объект исследования 43

2.3. Теоретическое описание процесса анаэробного сбраживания с учетом электротехнологии 47

2.4. Обоснование параметров импульсного генератора 54

2.4.1. Качественное описание процессов заряда и разряда конденсатора 55

2.4.2. Количественное описание процессов, происходящих при разряде 56

2.4.3 .Пример расчета и методика 60

2.5. Закономерность фазового перехода 61

2.6. Выводы 64

3. Методика и оборудование для экспериментальных исследований 66

3.1. Методика определения оптимальных режимов обработки органического субстрата методом КВЧ/СВЧ - радиоспектроскопии 71

3.2. Методика определения влияния высоковольтной обработки на рост микроорганизмов, ответственных за выход биогаза 74

3.3. Методика определения влияния высоковольтной обработки на состав биогазовой смеси 75

4. Результаты исследований и их анализ. оборудование для высоковольтноо разряда 77

4.1. Анализ результатов трансимссионно-резонансной КВЧ/СВЧ - радиоспектроскопии 77

4.2. Явление фазового перехода органических частиц в водном субстрате как следствие высоковольтной обработки 80

4.3. Анализ влияния высоковольтной обработки на рост микроорганизмов, ответственных за выход газа 84

4.4 Разработка устройства для высоковольтной импульсной обработки 91

4.4.1. Обоснование выбора разрядного устройства 91

4.4.2. Разработка газового разрядника для обработки биогазовой смеси 95

4.6. Выводы 97

5. Технико-экономическая эффективность воздействия электрического разряда на процесс выхода биогаза „ 98

5.1. Оценка экономической эффективности биогазовой установки 98

5.2. Результаты производственных испытаний 105

5.3. Основные требования, предъявляемые к устройствам для высоковольтного импульсного разряда 107

Общие выводы 109

Список литературы

• Классификация биогазовых установок
• Теоретическое описание процесса анаэробного сбраживания с учетом электротехнологии
• Методика определения влияния высоковольтной обработки на рост микроорганизмов, ответственных за выход биогаза
• Анализ влияния высоковольтной обработки на рост микроорганизмов, ответственных за выход газа

Введение к работе

Основная задача агропромышленного комплекса — устойчивый рост сельско
хозяйственного производства, полное удовлетворение потребностей страны в
продуктах питания и сырье. Это возможно лишь благодаря ускорению научно-
технического прогресса, переходу на интенсивные нетрадиционные технологии.
! Развитие животноводства и птицеводства создали глобальную проблему ути-

лизации большого объема органических отходов, основными источниками которых являются крупные животноводческие и птицеводческие комплексы. Становясь источником загрязнения окружающей среды, сельское хозяйство требует особого внимания для решения данной проблемы. В этой связи утилизация органических отходов, за счет анаэробного сбраживания с применением электротехнологии, приобретает решающее значение для агропромышленного производства.

Анализ работ [1-6], [77-92] показывает, что рациональное использование то
пливно-энергетических ресурсов невозможно без совершенствования сущест
вующих и создания новых энергосберегающих процессов, к которым в полной
мере можно отнести микробиологическое сбраживание органических отходов на
основе электротехнологии. Совершенствование данного процесса позволит ус
пешно бороться с высокой загрязненностью почвы и водных слоев отходами аг
ропромышленного производства, а также решить вопросы по обеззараживанию и
более глубокой переработке отходов растениеводства, животноводства и птице-
<*, водства с одновременным получением товарного биогаза и высококачественных

ф^:/- удобрений.

Утилизация биоорганических отходов приводит к значительной экономии ценного энергетического сырья, так как продукты, получаемые в результате этого процесса, биогаз и полужидкая масса, представляют собой большую ценность как газообразное топливо и органическое удобрение. А если учесть, что из сельскохозяйственных отходов и мусора ежедневно можно получать более 100 млн. тонн биомассы, то за счет ее использования, возможно покрывать десятую часть потребности нефти всей страны [74-76].

Наиболее перспективным и экономически целесообразным решением для аг-
робиоэнергетической промышленности, наряду с использованием энергии ветра,
солнца, геотермальных источников и т.д. является процесс переработки побочных
продуктов и отходов растениеводства, животноводства и пищевого производства
на основе анаэробного сбраживания органических отходов.
. Известные способы переработки отходов органического происхождения в

' _t биогазовой установке и получения биогаза малоэффективны [2], [7-9]. Для увели-чения выхода биогаза в установках по переработке биомассы используют различные способы. Хорошие результаты получают за счет дискретно-импульсного ввода энергии с помощью роторно-импульсного аппарата, который обычно выполняют в виде дисков или коаксиальных цилиндров с перфорированными поверхностями [1,104]. При вращении одной из поверхностей происходят интенсивные пульсации скорости и давления биомассы, что увеличивает диффузию и выход биогаза. Однако такие установки имеют большую материалоемкость и сложность в эксплуатации.

Поэтому возрастает интерес к получению биогаза на основе новых технологий [10].

Одно из направлений активации процесса переработки биоорганических от
ходов - использование высоковольтного электрического разряда, с помощью ко
торого ускоряется процесс разложения исходного субстрата. Степень химической
активности биомассы и отношение ее элементов друг к другу и другим реагентам,
* а также физические и химические свойства целиком определяются его «избыточ-

Kf.--' ным зарядом». Вследствие электростатического взаимодействия у некомпенсированных зарядов структурных элементов вещества на макроскопических расстояниях наблюдается окисление органических соединений и избирательное инициирование многоцентровых цепных химических реакций [11].

Актуальность диссертационной работы вызвана необходимостью более полной утилизации отходов органического происхождения в сельскохозяйственном производстве за короткий срок, и повышения выхода биогаза при анаэробном сбраживании.

7 Целью работы является повышение выхода биогаза при анаэробном сбраживании куриного помета, за счет использования импульсной электротехнологии, в процессе подготовки органического субстрата к сбраживанию.

Под субстратом понимается смесь куриного помета и воды в соотношении
1:2, соответственно.
_А Научную новизну имеют;

« - способ анаэробной переработки органических веществ водного субстрата ку-

риного помета под воздействием электрических разрядов, техническое решение которого защищено патентом;

аналитическое описание процессов выхода биогаза, позволяющее оценить влияние высоковольтного разряда на интенсивность процесса;

экспериментальный метод установления оптимального режима высоковольтной обработки водного" органического субстрата за счет трансмиссонно-резонансной КВЧ/СВЧ - радиоспектроскопии высокого разрешения, позволяющей оценить активность микроорганизмов;

дополнительный газовый разрядник для высоковольтной обработки биогаза, обеспечивающей расщепление его на отдельные газовые составляющие, в процессе анаэробного сбраживания, для частичной очистки и повышения процентного содержания метана.

Практическая ценность работы

Разработаны новая технология, оборудование и комплекс устройств, обеспе-**' чивающих повышение выхода биогаза из водного органического субстрата и эф-^*" фективную переработку органических отходов сельскохозяйственного производства. Электротехнологический процесс способствует повышению выхода биогаза в 2-5 раз с единицы поверхности сбраживаемого вещества при одновременном получении экологически чистых органических удобрений с улучшенными агрохимическими свойствами.

Основные положения выносимые на защиту;

- новое конструкторско-технологическое решение по проектированию биогазо
вой установки на основе электротехнологии;

теоретическо-экспериментальные данные по влиянию высоковольтной обработки на выход биогаза;

способ и методика исследования процесса переработки отходов в виде органического субстрата куриного помета при анаэробном сбраживании, благодаря воздействию импульсного электрического разряда на жидкую составляющую

_л или ее смеси с органическими твердыми веществами;

» - закономерность повышения эффективности высоковольтной обработки, про-

являющаяся в создании электрических полей вследствие электролитической диссоциации, ведущей к изменению свойств и активности водного субстрата куриного помета за счет ионного обмена заряженных частиц.

Апробация работы

Основные положения диссертации и ее результаты доложены и получили одобрение на следующих конференциях:

научно-технических конференциях Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова (Саратов, СГАУ, 2004-2005);

научно-практической конференции Саратовского государственного технического университета (Саратов, СГТУ, 2004);

международной научно-практической конференции в Пензе (Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии. Сб. материалов 6-ой Международной научно-практической конференции.

*< Пенза: РИО ПГСХ. 2004);

$; - Вавиловских чтениях 2004. Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 117 годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова. Секция ИМЭСХ, Саратов: Сар. гос. агр. университет;

- III Всероссийской конференции в Камышине. (Инновационные технологии в
обучении и производстве. 2005).

Публикации

Основные результаты работы изложены в 9-ти печатных работах, среди которых один патент на изобретение.

9 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Технологии и оборудование биогазовых установок

Одним из основных способов обеззараживания и переработки органических отходов растительного и животного происхождения с получением газообразного топлива - биогаза и экологически чистых органических удобрений является биогазовая технология. Она позволяет решить проблему агрохимии, энергетики и экологии.

Биогазовая технология представляет собой сложные природные процессы биологического разложения навоза, птичьего помета и других органических веществ в анаэробных условиях (без доступа воздуха). При этом под воздействием анаэробных бактерий наблюдается процесс минерализации азото-, фосфор- и ка-лийсодержащих органических соединений с получением азота, фосфора и калия в минерализованном виде, наиболее доступном для растений, при полном уничтожении патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, нитратов и нитритов. Процесс сбраживания осуществляется в емкости, которая называется ме-тантенком или реактором.

В метантенке под действием бактерий часть органического вещества разлагается с образованием метана (60-70%), углекислого газа (30-40%), небольшого количества сероводорода (0-30%), а также примесей аммиака, водорода и оксидов азота.

Существующие способы анаэробной .переработки не обеспечивают полноты сбраживания и более глубокого разложения отходов сельскохозяйственного производства. В силу сложившейся ситуации представляется актуальным развитие биогазовых установок для сбраживания пищевых и сельскохозяйственных отходов с помощью микроорганизмов. Как правило, основными элементами биогазовой установки являются: камера сбраживания (реактор, метантенк); устройства поддержания постоянной температуры в реакторе; устройство, обеспечивающее перемешивание субстрата в реакторе; устройство накопления и хранения биогаза (газгольдер).

10 Биогазовые установки могут использоваться в небольших фермерских хозяйствах и на крупных сельскохозяйственных предприятиях, где биогаз обеспечивает выработку электрического тока и тепловой энергии на промышленные нужды. На рисунке 1.1 приведена схема- энергокомплекса с биогазовой установкой для средних и крупных сельскохозяйственных предприятий, в которой предусмотрен подогрев, перемешивание субстрата и очистка биогаза от сероводорода и С0₂, что повышает эффективность процесса брожения. Субстрат подогревается за счет части теплоты, вырабатываемой котлом. Котельная работает на биогазе и используется для теплоснабжения систем отопления, горячего теплоснабжения, запаривания кормов. Некоторое количество газа можно использовать для бытовых газовых плит. Находящаяся в реакторе масса, перемешивается механической мешалкой с электроприводом. Осадок сбраживаемого субстрата используется в качестве удобрений.

Накопительная емкость

Отходы

Сгуститель отходов

Расходная емкость

Реактор —« *

_TTTZ—

Отходы — на с/х поля

Газокомпрессорная установки

w Баллонный газ для заправки транспорта

Установка для очистки воздуха

Газгольдер L> Котельная

X Теплота на производственные НЛ/ЖЛЫ

' водственные нужды

Рисунок 1.1. Схема энергокомплекса с биогазовой установкой и газокомпрессорной станцией для крупных сельскохозяйственных предприятий [1]

В крупных сельскохозяйственных и птицеводческих предприятиях, расположенных в районах, где целесообразно использовать энергию солнца, ветра, рекомендуется комбинированная биогазовая установка, в которой электрическую энергию можно получать от ветроустановки, а тепловую - от солнечного коллектора.

Более универсальной является комбинированная биоэнергетическая установка с компрессором (рисунок 1.2), благодаря которому накапливается биогаз вне зависимости от его потребления..Такие установки более удобны в эксплуатации, в

особенности при выработке тепловой и электрической энергии, графики потребления которых могут не совпадать по времени.

Рисунок 1.2. Комбинированная солнечно-биогазовая установка: 1, 9'— теплообменники; 2 -метантенк; 3, 5. 7, 8 - насосы; 4 - предохранительный клапан; 6 - отстойник; 10 - котел; 11, 13,12, 15 - вентили; 14 - регулирующий клапан; 16 - компрессор; 17 - газгольдер; 18 - солнечный коллектор; 19 - подача навоза; 20 - в атмосферу; 21 - сброженный навоз; 22 - к потребителю биогаза; 23 - дизельная электростанция; 24 - электроэнергия к потребителю; 25 — ветродвигатель; -о- - трубопровод навоза; -в- — трубопровод теплоносителя; -г— газопровод, -а- — трубопровод антифриза

Одна из наиболее распространенных схем биогазовых установок представлена на рисунке 1.3. В данной схеме органические отходы измельчаются в приемной емкости 3 и центробежным насосом подаются в выдерживатель 8, а затем в реактор 9, где вырабатывается биогаз, учет биогаза осуществляется с помощью счетчика 14. Твердые фракции из реактора поступают в навозохранилище 15.

Представленная биогазовая установка производит до 750 м биогаза в сутки, в то время как на энергетические потребности хозяйства расходуется около 250м³/сут.

Перспективной является установка, в которой применяется двухстадийное брожение субстрата, схема которой представлена на рисунке 1.4. Она предназначена для подготовки исходной биомассы (измельчение, гомогенизация_v нагрев) к. брожению, аэробного (кислотного) брожения и, наконец, анаэробного (метанового) брожения и состоит из следующих основных блоков:

Рисунок 1.3. Технологическая схема биоэнергетической установки: 1 - ферма; 2 - насос; 3 -приемная емкость навоза; 4 - центробежный насос с измельчителем; 5 - виброгрохот, ГБН-100; 6 - емкости; 7 - насосы ФГ-57,5/9,5б; 8 - выдерживатель; 9-реактор;10-газовые клапаны; 11 - водокольцевой вакуум-насос; 12 - конденсатосборник; 13 - компрессор отбора газа УК-1М; 14-газосчетчик барабанный ГСБ-400; 15 - навозохранилище

блок подготовки, включающий в себя: приемник исходной биомассы, оборудованный измельчителем 1 длинноволокнистых включений; теплообменник-рекуператор 2 «исходная биомасса - сброженное удобрение»; насос загрузки и датчики уровня массы;

блок брожения, включающий: выдерживатель 3 (реактор первой стадии - кислотной и реактор 7 второй стадии - метановой); теплообменники 4 нагрева и компенсации теплопотерь массы; насос-дозатор 5 для загрузки массы в реакторы; запорную и регулирующую арматуру 6;

энергоблок, включающий: котел газовый 9 и мотор-генератор Ї0 для получения теплоты и электроэнергии; компрессор биогаза 16; очиститель биогаза 15; газгольдер 13, оборудованный преобразователем давления газа 11 и свечой сброса излишков биогаза 12; клапаны 14 обратные и для регулирования биогаза; датчики уровня, давления и температуры теплоносителя, расходомеры и другую измерительную аппаратуру;

автоматическая система управления (АСУ) 8.

Рисунок 1.4. Технологическая схема БЭУ: 1 - измельчитель, 2 - «исходная биомасса - сброженное удобрение», 3 — выдерживатель, 4 - теплообменники, 5 — насос-дозатор, 6 — запорная и регулирующая арматура, 7 - реактор второй стадии (метановой), 8 - АСУ, 9 - котел газовый, 10 - мотор-генератор, 11 - преобразователь давления газа, 12 - свеча, 13 - газгольдер, 14 — обратный клапан

В «Саратовском ГАУ им. Н.И. Вавилова» также проводятся исследования по разработке оборудования и технологии для анаэробного сбраживания органических отходов под руководством профессора Эфендиева A.M.

На основании приведенного литературного анализа биогазовых установок общим для всех описанных конструкций является наличие биореактрора (метан-тенка), снабженного различными нагревательными устройствами и контрольно-измерительной аппаратурой для поддержания заданного температурного режима сбраживания, а также наличие различных по конструкции мешалок, обеспечивающих перемешивание органического субстрата. Существующий технологический процесс, представленный на рисунке 1.5, включает в себя сбор птичьего помета на птицеферме I, подачу жидкой фракции насосом 1 в коллектор 2, где происходит дробление измельчителем 3, после чего жидкий субстрат попадает в по-догреватель-выдерживатель 4, из которого с помощью винтового насоса 6 жидкая масса загружается в реактор 7, где происходит процесс анаэробного сбраживания с выделением биогаза, поступающего в газгольдер 14, а затем с помощью компрессора 13 газ подается к потребителям.

Рисунок 1.5. Типовой технологический процесс: I - птичник, II - цисцерна-жижеразбрасыва-тель, III - навозохранилище, IV - оросительная система, V - прицеп, 1 - насос жидкого помета, 2 - коллектор, 3 - измельчитель, 4 - подогреватель-вьщерживатель, 5, 8 — фекальные насосы, 6 - винтовой насос, 7 - реактор, 9 - дуговое сито, 10 - пресс-фильтр, 11 - насос, 12 - транспортер, 13 - компрессор, 14 - пост высоковольтной обработки

После сбраживания жидкий субстрат поступает на дуговое сито 9, где происходит отделение твердой фракции от жидкой составляющей, а затем, пройдя через пресс-фильтр 10, твердая перебродившая масса в дальнейшем используется в качестве органического удобрения. Жидкая составляющая поступает в навозохранилище III, откуда перекачивается непосредственно в оросительную систему IV или с помощью цистерны-жижеразбрасывателя вывозится на поля для подкормки посевов. Невысокое качество получаемых органических удобрений, а также малый выход биогаза потребовали разработки способа, обеспечивающего более глубокую переработку органических веществ, способного повысить выход целевых

15 продуктов. В этом плане заслуживает внимания разработанный на основе электротехнологии новый способ подготовки сырья к сбраживанию, представленный на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6. Предлагаемый технологический процесс: I - птичник, II - цисцерна-жижеразбра-сыватель, III - навозохранилище; IV - оросительная система, V - прицеп, 1 - пост высоковольтной импульсной обработки, 2 - подогреватель-вьщерживатель, 3, 6- фекальные насосы, 4 - винтовой насос, 5 - реактор, 7- дуговое сито, 8^ пресс-фильтр, 9- насос, 10- транспортер, 11-компрессор, 12 - газгольдер

Преимущество предлагаемого метода заключается в возможности осуществления операций измельчения непосредственно в камере сбраживания за счет электрогидравлического эффекта, а также активации жидкой составляющей субстрата, позволяющей изменить рН и обеспечить процесс анаэробного сбраживания при более низких температурах.

Отличительной особенностью предлагаемой схемы (рисунок 1.6) от существующей технологии (рисунок 1.5) является отсутствие операции измельчения, которая заменена электрогидравлическим ударом, возникающим в результате воздействия высоковольтного электрического разряда на жидкую среду.

Новая технология удобно встраивается в известный технологический процесс и не требует изменения конструкций существующего оборудования.

1.2. Классификация биогазовых установок

Биогазовые установки обеспечивают предотвращение загрязнений воздушного и водного бассейна, почвы и посевов, благодаря утилизации и дезодорации навозных стоков крупных животноводческих ферм и птицеводческих комплексов. Они являются основными устройствами для осуществления анаэробной переработки органических отходов при получении удобрений и биогаза [11,70], [82-86].

Однако интерес к использованию биогаза, как одного из перспективных альтернативных источников энергии, в последние годы продолжает возрастать. Это потребовало проведения исследований по разработке перспективных способов, обеспечивающих более качественное разложение субстрата, ускоренное развитие бактерий и высокую степень ферментации биологически разлагающихся органических веществ.

К приоритетным направлениям исследований следует отнести электрофизические методы на основе облучения электронами, гамма-квантами и воздействие высоковольтного электрического разряда на процессы анаэробного сбраживания. Поскольку в процессе сбраживания органического субстрата естественным окружением является вода, следовательно, она играет важную роль в катализе.

Обработка ускоренными электронами или гамма-квантами загрязненной воды, вызывает разложение (пиролиз) ее на активные свободные радикалы, атомы водорода и ионы кислорода.- Вступая во взаимодействие с веществами загрязнителями, свободные радикалы ускоряют химические реакции и способствуют получению чистой воды и углекислого газа. Примесные атомы и вредные вещества коагулируются и выпадают в осадок.

Флуктуации, вызванные высоковольтной импульсной обработкой воды, порождают активные частицы разряда - свободные атомы, свободные радикалы и колебательно-возбужденные молекулы, которые играют основную роль в энергии катализа.

Правомочность развития предлагаемых направлений подтверждается результатами как других ученых [7-10], так и собственных исследований [11, 93, 94, 96].

В соответствии с новой концепцией развития технологии анаэробного сбраживания органических веществ, представляется возможность расширения структурной схемы классификации биогазовых установок.

Представленная на рисунке 1.7 классификация позволяет проанализировать существующие методы и особенности конструкторско-технических решений биогазовых установок, а также указать на наиболее перспективные направления дальнейших исследований.

Из приведенных разновидностей электрофизического метода наибольший интерес представляет способ воздействия на водный органический субстрат высоковольтным электрическим разрядом, обеспечивающим сокращение времени разложения за счет активации субстрата, и увеличение выхода высококачественных целевых продуктов (биогаза и органических удобрений в минерализованном виде).

Использование новой элементной базы на основе современных малоиндуктивных емкостных элементов, которые дали возможность сократить длительность импульса тока, при разряде в водном субстрате, до 6 мс и генерировать ударные волны, вызывающие электрогидравлический эффект [12], а также коммутирующих разрядников и эффективных разрядных устройств (с КПД до 0,9-0,95), позволили разработать современное высокопроизводительное оборудование и новые технологии [13,14].

При воздействии высоковольтного разряда на сырьевые компоненты происходит дополнительное изменение органической составляющей и ускорение реакции в объеме субстрата благодаря модифицированию ферментов. Поскольку разложение органических составляющих субстрата происходит за счет деятельности

Биогазовые установки для анаэробного сбраживания органических отходов

Нагревательного устройства

Г

По способу обработки субстрата I

Облучение

S S и)

Электрический разряд

е-

!

5.

о и

В 2

s о

5 К

По конструкции

По технологической схеме

Рисунок 1.7. Сема классификации биогазовых установок

определенных типов бактерий, существенное влияние на них оказывает как способ обработки, так и температура сбраживания [97, 98].

Энергия заряженных частиц, является основным фактором интенсификации метанообразования, обеспечивающим нивелирование характеристик, связанных с температурным воздействием и способствующим увеличению концентрации микроорганизмов в обработанном водном органическом субстрате реактора. В результате чего, биоэнергетическая установка позволяет вырабатывать в большом количестве газообразное топливо (метан) и органические удобрения в минерализованном виде.

Свойства биогаза являются решающим фактором его применения с точки зрения наличия вредных веществ и энергетического содержания (теплотворности). Следовательно, вопросы, связанные с получением биогаза, пригодного для использования его в качестве топлива, также приобретают решающее значение. При соблюдении оптимального температурного режима брожения, постоянном перемешивании выход биогаза достигает 2-3 м³ с 1 м³ реактора, а при использова-нии птичьего помета -6м. Практически для расчета пользуются данными, при которых 1 корова способна обеспечить получение 2,5 м³ газа в сутки, бык на от-корме - 1,6 м , свинья - 0,3 м , птица - 0,02 м в сутки [15,76].

Существует ряд факторов, влияющих на выход биогаза, - температура, рН, давление, интенсивность перемешивания, влажность, климатические условия и т.д., которые взаимосвязаны между собой и изменение одного из параметров может привести к понижению или повышению выхода биогаза. Основными являются температура и рН; что касается температурного фактора, то предпочтение отдается мезофильному режиму, который протекает при более низких температурах (15-35С), а в качестве оптимальных значений щелочности принимаеся рН=6,5-7,5.

Практическое использование в биогазовых установках высоковольтного импульсного разряда способствует ускорению процесса сбраживания и повышения выхода высококачественных продуктов разложения. Возможность использования

20 существующего комплекса оборудования без изменения конструкций позволяет

снизить капитальные вложения при использовании новой разработки.

Анализируя литературные источники [16, 17] и зарубежный опыт конструирования биогазовых установок можно составить таблицу 1.1 технико-экономических показателей различных биогазовых установок.

Таблица 1.1 Технико-экономические показатели биогазовых установок

В существующих биогазовых установках наблюдается большой разброс (от
0,5 до 4 м ) выхода биогаза сім камеры сбраживания [104]. Эта нестабильность
вызвана как сложностью поддержания заданной температуры в объеме субстрата,
так и неравномерностью выхода его из органического вещества. Известные спо
собы не позволяют обеспечить стабильность процесса и увеличить выход биогаза.
В связи с этим предлагается нетрадиционный способ подготовки субстрата к
< сбраживанию, основанный на электротехнологии. В предлагаемом способе про-

цесс активирования позволяет подготовить органическую составляющую суб-страта к более высокому высвобождению газовых включений в его структуре, снизить интервал разброса выхода биогаза с единицы поверхности и обеспечить снижение температуры сбраживания.

1.3. Роль микроорганизмов при решении топливно-энергетической задачи

Федеральная целевая программа «Топливо и энергия» предусматривает реализацию энергосберегающей политики, разработку и внедрение оборудования, систем и технологий для ускоренного технического перевооружения действую-

щих и создания новых объектов топливно-энергетического комплекса с учетом

безопасности в техногенных'средах. В настоящее время трудно найти отрасль на
родного хозяйства, где бы ни использовались микроорганизмы — это пищевая, пи
воваренная, безалкогольных напитков и нефтяная промышленности, производст
во дрожжей, сельскохозяйственная отрасль и т.д. Выполнение данной задачи по-
j, зволит решить продовольственную и энергетическую программы, а также улуч-

шить экологию страны. Основные надежды следует возлагать на генную инжене-рию, которая позволит получать суперэффективные бактерии, обеспечивающие более глубокую переработку отходов промышленного и сельскохозяйственного производства.

Например, для очистки "почвы от нефти используют различные микроорга
низмы. Р.Э. Хабибулин и его соавторы из агропромпредприятия «Иль» рекомен
дуют для штамма питающихся нефтью бактерий [18] использовать сушеный гра
нулированный куриный помет, обеспечивающий развитие микробов для осущест
вления данного процесса. Известно использование микроорганизмов при перера
ботке мусора для получения органических удобрений. Свалки бытовых отходов
вызывают выделение метана и приводят к потеплению на планете. Для решения
данной проблемы спроектирован автоматический завод по переработке бытовых
отходов, на котором мусор очищают от металла, идущего впоследствии на пере
плавку, при помощи магнитных сепараторов, затем мусор размельчают и загру
жают в медленно вращающиеся барабаны. После этого массу «заражают» микро
бами, под влиянием жизнедеятельности которых она разогревается, полностью
*. обеззараживается и превращается в плодородный компост, содержащий азот,

фосфор и калий, представляющие собой высококачественное удобрение [19].

Российские ученые создали штамм, который, перерабатывая одежду космонавта, образует газ - метан, использующийся в качестве горючего для работы отдельных систем установки.

Если взять, к примеру, и рассмотреть живую природу, то и здесь микроорганизмы играют решающую роль. У термитов нашли и выделили бактерию, произ-

22 водящую ацетон (из СО2 и Нг), а в бескислородных условиях — метан, который можно использовать по прямому назначению [20].

Энергию возможно получить и благодаря химической реакции металлов и
кислоты, содержащейся в картофелине, используя так называемую «картофель
ную батарейку»,
v Удивительная способность некоторых микроорганизмов продуцировать элек-

тропотенциал, позволяет направленно использовать его для решения сложных биохимических процессов. В последнее время проводится большое количество исследований по изучению и использованию биоэнергетического потенциала микроорганизмов. Специалистам удалось создать топливные ячейки из бактерий, которые выдают ток 17 мА, при напряжении 0,6 В. Полученную ячейку можно имплантировать в тело для поддержания ритма сердца и уровня инсулина, а в качестве топлива использовать непосредственно глюкозу организма.

Ученые из Техасского университета создали батарейку из ягоды винограда,
которая использует энергию метаболизма и не дает никаких отходов. Батарейка
состоит из двух углеродных электродов, тоньше человеческого волоса и исполь
зует глюкозно-кислородный обмен, который обеспечивает энергией все расти
тельные и животные клетки. Обмен веществ включает в себя перенос электронов
от глюкозы к кислороду. В биотопливном элементе эти электроны движутся меж
ду двумя электродами — катодом и анодом. Причем устройство работает лучше
тогда, когда глюкозы в избытке - как например, в винограде. Батарейка выраба-
тывает 2,4 мВт, которых достаточно, чтобы подключить силиконовый чип к мик-
< росенсору или к микропередатчику.

В последнее время все большее внимание привлекают нетрадиционные источники энергии: солнечное излучение, энергия ветра, геотермальных вод, энергия биогаза. Известно, что доля нетрадиционных источников тепловой энергии распределяется следующим образом: от солнечных коллекторов в пределах 13 млн. кВт-ч/год, от биогазовых установок - 9 млн. кВт-ч/год и электроэнергии от ВЭУ - в пределах 8 млн. кВт-ч/год [21]

23
Таким образом, стратегия развития сельского хозяйства видится в возможно
сти производить энергии больше, чем потреблять, т.е. следует построить систему
ведения отрасли таким образом, чтобы можно было управлять ее энергетическим
балансом с максимальной эффективностью. В этом плане ясны пути использова
ния побочных продуктов и отходов растениеводства, животноводства, птицевод-
* ства и пищевого производства. Практически апробированы технологии и обору-

дование для сбраживания отходов с помощью микроорганизмов, внедряются, на-пример, биоэнергетические установки, вырабатывающие из навоза и птичьего помета газообразное топливо (метан) и органические удобрения. Поэтому совершенствование существующего процесса является важным фактором экономики.

1.4. Обзор существующих и перспективных импульсных электротехнологий

Актуальным направлением фундаментальной науки в последнее время является исследование в области физики и техники высоких напряжений. Развитие импульсной энергетики представляет огромный интерес с точки зрения высокой производительности и низких энергозатрат.

Впервые идея использования высоковольтного импульсного разряда в воде
была предложена Л.А. Юткиным в 1933 году, в дальнейшем она стала широко ис
пользоваться для решения ряда технологических процессов, на основе электро
гидравлического эффекта [12]. Электрогидравлический эффект является новым
способом преобразования электрической энергии в механическую, совершается
^ без посредства промежуточных механических звеньев, что обеспечивает ему вы-

сокий КПД. Сущность способа состоит в том, что при осуществлении внутри объема жидкости, находящейся в открытом или закрытом сосуде, специально сформированного импульсного электрического (искрового, кистевого и других форм) разряда, вокруг зоны его образования возникают сверхвысокие гидравлические давления, способные совершать механическую работу и инициировать комплекс физических и химических явлений.

В основе электрогидравлического эффекта лежит явление резкого увеличе
ния гидравлического и гидродинамического эффектов и амплитуды ударного дей
ствия при осуществлении импульсного электрического разряда в ионопроводящей
жидкости при условии максимального укорочения длительности импульса, мак
симально крутом фронте и форме импульса, близкой к апериодической.
с Большой вклад в развитие электрогидравлики внесли ученые Г.И. Покров-

ский, В.А. Лмпольский [13], ЮЛ. Муралевич [14], И.В. Федоров [22], Ф. Фрюн-гель [23], которые позволили выявить природу и область использования нового физического явления. Трансформация электрической энергии в механическую работу способствовала развитию электрогидравлической штамповки [24], очистки литья [25], развальцовки трубок теплообменных аппаратов [26], совершенствованию дробильных устройств [27] и т.д.

Таким образом, ударное перемещение жидкости, возникающее при развитии и схлопывании кавитационных полостей, вызывает пластические деформации металлических объектов, помещенных вблизи зоны разряда. Это дает возможность изменять форму листового материала, что позволило использовать данный метод при импульсной штамповке, которая находит широкое применение при обработке металлов давлением в мелкосерийном производстве.

На рисунке 1.8 представлено устройство для импульсной штамповки, которое работает следующем образом.

Заготовку 1, предназначенную для предания ей необходимой формы, уставі

навливают над матрицей 2 в замкнутой камере 3, заполненной рабочей жидко-

« стью, в которой находятся электроды 4, соединенные с источником импульсной

энергии. Тормозным каналом 5, камера соединена с ресивером 6, в котором поддерживается постоянный уровень жидкости, посредством сливного бачка 7, связанного с камерой. Полость ресивера над жидкостью вакуумируют связанным с ресивером вакуум-насосом. Глубину вакуума выбирают такой, чтобы жидкость в ресивере не закипала (контроль осуществляют через смотровое стекло 8).

Создание разряжения снимает противодействие расширению полости, образующейся при электрогидравлическом разряде и влияние атмосферного давления.

25 В результате этого полость расширяется в большей степени, что повышает накопляемую на ее стенках энергию, а это в свою очередь усиливает деформацию.

_-—о==ь

Рисунок 1.8. Схема устройства для импульсной штамповки: 1 - заготовка; 2 - матрица; 3 - рабочая камера; 4 - электроды; 5 - тормозной канал; 6 - ресивер; 7 - сливной бачок; 8 - смотровое окно

Учеными ряда научных организаций, в том числе Физическом институте РАН, Троицком институте инновационных и термоядерных исследований, в Курчатовском институте создана. новая технология электроразрядного разрушения горных пород и строительных конструкций, суть которой заключается в том, что мощные инфра - и ультразвуковые колебания, сопровождающие электрогидравлический эффект, вызывают резонансное разрушение крупных объектов на отдельные кристаллические частицы. Для этого в блоке горной породы или в бетонном блоке бурят шпур, заполняют водой и возбуждают в канале электрический разряд. Благодаря электрическому пробою воды и термическому расширению плазмы, образующаяся в канале энергия мощного импульса тока преобразуется в энергию ударной волны с быстро нарастающим давлением на стенки канала.

26 Причем, ударные волны за несколько сотен микросекунд многократно отражаются от стенок шпура и трещины нарастают лавинообразно. В результате этого блок или массив разрушается.

Использование электрического взрыва, точнее создаваемых им давлений, послужило средством создания новых химических соединений. Ударные волны, порождаемые динамическим воздействием взрыва, служат уникальным способом воздействия на химические реакции синтеза и разложения веществ. Механизм во-влечения вещества в новые для него реакции, заключается в том, что при больших давлениях - сжатие идет во всех трех измерениях одновременно. При этом сильно изменяются внешние электронные структуры атомов, а значит - и ряд физических и химических свойств. Кроме того, взрывная ударная волна дробит зерна вещества и множит в его структуре дефекты - обычные носители свойств катализатора в сотни раз.

При производстве строительных материалов, в частности бетона, получаемого из рационально подобранной смеси вяжущих веществ с водой, большое значение имеют процессы ускорения твердения. Авторы изобретения [28] считают, что при экранировании бетонной смеси от воздействия внешних сил земли в процессе затворения, наблюдается ускорение процесса схватывания частиц за счет электростатических сил собственного поля смеси.

Однако предпочтение следует отдать исследованиям по воздействию высо
ковольтного электрического разряда на изменение свойств цементного теста, так
как эксперименты показывают, что если в раствор добавлять пробитую воду, то,
ь не снижая прочности возможно сэкономить до 10% цемента. Этот эффект связан с

тем, что «пробитая вода» лучше абсорбируется на поверхности цементных частиц. При производстве бетона электрический разряд приводит к тому, что зерна в смеси сжимаются по разному, а значит и неодинаково нагреваются. Перепады температуры в соседних точках могут достегать сотен и даже тысяч градусов. Все это, в месте взятое, и влияет на ход обычных реакций и делает реальными побочные реакции. Используя предлагаемое техническое решение, удается с помощью

27 взрыва синтезировать в одно сложное соединение исходные компоненты бетонной смеси [29, 30] за счет интенсификации химических процессов. При металлургическом производстве структура крупногабаритного слитка неоднородна и крупнозерниста, что отрицательно сказывается на физико-механических свойствах металла. Известен способ исправления структуры воздействием

с на кристаллизующийся металл ультразвуком или электрогидравликой. Г.Г. Маль-

цев и М.Х. Шоршоров из Института Металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН рекомендуют дополнительно к этим способам через расплавленный металл пропускать импульсный электрический ток с частотой до 5 импульсов в секунду [31]. Технологическая схема, представленная на рисунке 1.9, позволяет пояснить суть процесса, который заключается в том, что после наполнения металлом 1 изложницы 2 на ее прибыльную часть 3 устанавливают электроразрядную камеру 4 и погружают в жидкий металл электрод-волновод 5 с насадкой 6. Затем от генератора импульса тока 7 по внешней электрической цепи 8 на электроды 9 и 10 подают высокое напряжение. В разрядном промежутке камеры 4, заполненной водой, возникает пробой между электродом 9 и центральным выступом 11 поршня 12. Пробой создает гидравлический и кавитационный удары, передающиеся через электрод-волновод 5 с насадкой 6 затвердевающему металлу 1. кроме того, через образовавшийся в результате пробоя токопроводящий канал импульс тока подводится к металлу электродами 5 и 10 и вызывает глубокое переохлаждение металла на фронте кристаллизации. В целях электробезопасности и для исключения электрической цепи, параллельной металлу, изложницу 2 с ее

« прибыльной частью 3 отделяют от окружающего оборудования изолирующими

прокладками 13 и 14. Предлагаемый способ обработки позволяет повысить физико-химические свойства металла путем устранения его химической неоднородности и получения мелкокристаллической структуры в процессе затвердевания слитков.

Аналогичные работы по электроимпульсному воздействию на металл, пока он находится в жидком состоянии или в самом начале кристаллизации успешно проводятся в ПКБ Электрогидравлики АН УССР совместно с УКР НИИ металлов

28 и другими организациями. Суть метода заключается в том, что мощный электрический разряд превращает жидкость в плотную низкотемпературную плазму. При этом давление достигает колоссальной величины, образуется сильная волна сжатия, которая через пластину вибратора передается жидкому или кристаллизующемуся металлу. Можно применять вибраторы к поверхности затвердевающей заготовки при непрерывной разливке стали, можно передавать волну в жидкий металл, залитый в ковш. А при вакуумнодуговом переплаве сам вибратор служит

Рисунок 1.9. Схема элетроимпульсной обработки расплавленного металла: 1 - расплавленный металл; 2 - изложница; 3 - прибыльная часть изложницы; 4 - электроразрядная камера; 5 - электрод-волновод; 6 - насадка; 7 - генератор импульса тока; 8 — внешняя электрическая цепь, 9, 10 - электрод; 11 - центральный выступ; 12 - поршень; 13, 14 -изолирующие прокладки

29 поддоном, из которого наплавляется слиток. Новый метод позволяет обрабатывать массы металла до 50 тонн и выше с малыми (относительно других методов) энергетическими затратами. При этом ударная вязкость металла возрастает на треть, на 25-30 градусов снижается порог хладоломкости, на несколько процентов возрастает выход годной продукции. Установки, реализующие электрогидроим-

ь пульсный метод, внедрены на Черноморском и Балтийском судостроительных за-

водах, где они упрочняют жидкую сталь в ковшах, емкостью до 30 тонн. Обра-ботка стали, при непрерывной разливке ведется на Руставском металлургическом заводе. Каждая установка дает экономический эффект до 150 тыс. рублей в год.

В Институте материаловедения Дальневосточного отделения РАН, автором Ю.И. Мул ином с коллегами разработан способ восстановления изношенных деталей трения. Износ компенсируют не как обычно наплавкой или напылением, а электроискровой обработкой, формируя по этой известной технологии многослойное покрытие. Для формирования первого слоя используют сплав хрома, никеля, молибдена, углерода и железа. Второй слой наносят из карбида вольфрама, а третий - из хрома. При этом первый слой должен быть 0,7-0,9 величины износа [32].

В Саратовском государственном техническом университете проводятся работы по использованию электрического распыления проводников, предложенные А.И. Кабловым, для формирования промежуточного слоя между соединяемыми материалами [33].

Процесс соединения материалов заключается в следующем: в вакуумную ка-

« меру 4 (рисунок 1.10) на рабочем столе 8 между двумя образцами 5 из кварцевого

стекла или керамики помещали проводник в виде фольги 6, плотное прилегание которых друг к другу осуществлялось усилием пуансона 7. При создании разряжения в камере 4 порядка 3-Ю"⁴ Па от генератора импульсов тока 1 по высоковольтным вводам 2 через изоляторы 3 на проводник 6 подавали импульс с запасенной энергией ЮкДж и периодом разряда t< 20 икс. В процессе взрыва, например, металлического проводника из фольги или проволоки электрическим разрядом, наблюдается формирование между образцами 5 жидкометаллической

прослойки. Данный способ позволяет соединять металл с керамикой, керамику со стеклом и ряд других сложных соединений, которые (известными) обычными видами сварки осуществить невозможно.

Рисунок 1.10. Схема экспериментальной установки: 1 - генератор импульсов тока; 2 - высоковольтный ввод; 3 - изолятор; 4 - вакуумная камера; 5 - образцы из стекла или керамики; 6 - металлический проводник; 7 - пуансон; 8 - рабочий стол

Используя электрическое распыление металла в вакууме, удалось решить проблему металлизации отверстий в печатных платах. При этом в качестве одного из контактов используют легкоплавкий материал, хорошо смачивающий испаряемый проводник, который разогревают до температуры плавления и испаряют его электрическим взрывом в вакууме между металлическими контактами [34, 35].

Причем при формировании промежуточного слоя указанные покрытия могут быть как диэлектриками, так и проводниками [36].

Создание и внедрение передовой промышленной технологии и оборудования для производства световодов, волоконно-оптических и оптоэлектронных элементов представляется весьма актуальным, поскольку аппаратура световодных линий связи, в которой они используются, не только многократно увеличивает объемы передаваемой информации и расстояния между ретрансляционными пунктами (даже при высокой помехоустойчивости), но и повышает информационную защищенность линий связи. В этом плане представляет интерес технология, осно-

ванная на распылении расплава стекла электрическим взрывом в вакууме, которая, наряду с повышением качества заготовки, предназначенной для вытягивания стекловолокна, обеспечивает радиальное распределение показателя преломления в светопроводящей жиле и снижение содержания молекул гидроксильной группы (ОН~). Предлагаемая технология реализуется с помощью устройства, показанного на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11. Схема получения заготовок для оптического волокна: 1 - высоковольтный ввод; 2 - высоковольтный электрод; 3 - вакуумная камера; 4 - подставка; 5 - тигель; 6 - нагреватель; 7 - карусель; 8 - тигель с расплавом; 9 - стеклянный штабик; 10 - высокочастотный индуктор; 11 - металлическая трубка; 12 - опорная трубка; 13 - мундштук

В вакуумной камере 3 на подставке 4 коаксиально индуктору 10 устанавливают сборку - опорную трубку 12 из кварцевого стекла и трубку і і из тугоплавкого металла. На карусели 7 размещают платиновые тигли 5,8, в которых находятся навески стекла с различными показателями преломления. После герметизации и вакуумирования камеры нагревателем 6 и высокочастотным индуктором 10 опорная трубка и тигли с навесками стекла нагреваются до рабочих температур 723 К и 1373 К соответственно.

Мундштук 13 опускают в расплав стекла и при последующем движении его вверх, соосно опорной трубке 12, вытягивают штабик 9 в виде нити расплава стекла. После касания мундштука высоковольтного электрода 2 от генератора

32 импульсов тока подается высоковольтный импульс по электрической цепи (высоковольтный электрод, мундштук, штабик расплава стекла, тигель, земля), который испаряет штабик, а продукты взрыва, конденсируясь на внутренней стенке опорной трубки, создают высококачественное покрытие [37].

Если жидкое стекло обработать в течение 3-5 мин при напряжении постоянного тока 50-60 В с плотностью 0,02-0,05 А/см², то плотность жидкого стекла не изменяется, а текучесть увеличивается более, чем вдвое, что значительно повысило клеящую способность активированного жидкого стекла [38].

Используя техническое решение, способное разрушать (взрывать) поликристаллические материалы высоковольтным импульсным разрядом в вакууме, удается исследовать поведение термодинамических функций при фазовых превращениях в твердых телах. Исследования показали, что в радиационно-модифициро-ванных материалах имеются области с более сильной химической связью, которые при плавлении металла не разрушаются и представляют не микро, а макрообъем.

Рисунок 1.12. Фотография электровзрывного разрушения вольфрамовой проволоки диаметром 14,5 мкм, полученной по радиационной технологии. Увеличение х150

Прямой эксперимент позволил доказать пространственную неоднородность электронов в металле и зафиксировать «фотографию» электровзрывного разрушения вольфрамовой проволоки, полученной по радиационной технологии (рисунок 1.12), на которой отчётливо прослеживается остов с более сильной локализо-

33 ванной химической связью, не проводящей электрический ток ввиду отсутствия

электронов проводимости. Отчетливо видны соединенные друг с другом определенные структурные группировки атомов в кристалле в виде островных образований - кластеров. Причем, кластерные группировки (от двух до сотен атомов) удерживаются ковалентными химическими связями, а характер структурообразо-

j. вания определяется энергией связи между взаимодействующими частицами дис-

персной фазы, образующими структуру.

Таким образом, установлено явление преобразования энергии внутрикри-сталлической химической связи между материалом и комплексом, включающим точечные дефекты и примесные атомы; в результате перестройки кристаллической решетки под действием ионизирующего излучения наблюдается формирование гетеродесмической структуры спекаемых поликристаллических порошков, которая проявляется в локальной эрозии металлического проводника при его электрическом взрыве в вакууме в виде энергетической сетки.

Практическое использование вышеуказанного метода открывает большие перспективы по изучению фазовых переходов при воздействии физико-химических факторов в технологии производства. При достаточно большой концентрации дефектов - переход металл-диэлектрик, обусловлен эффектом пространственной локализацией носителей тока. Аналогичное явление наблюдается и при прокатке металлов и металлических сплавов, которая включает в себя процесс, состоящий в обжатии их при высоком давлении между вращающимися валками. В результате пластической деформации сжатия происходит разрушение литой структуры ме-

f талла и вместо нее образуется мелкозернистая и более полная структура - накле-

панный поверхностный слой с улучшенными характеристиками металлоизделий. Фольга, полученная пластическим деформированием с относительным обжатием более 40%, при электровзрывном воздействии также разрушается с отдельных участков, т.е. наблюдается локальная эрозия проводника после взрывного вскипания [39]. Данное открытие позволяет объяснить явление упрочнения поверхности режущей кромки плуга, изготовленной из иттриевого чугуна. Следовательно, необычные свойства иттриевого чугуна следует рассматривать с позиции изменения

34 химических связей при плавке в чугунолитейном производстве. Известно, что при

производстве различных видов чугунов их свойства в значительной степени зависят от структуры металлической основы, формы и размеров включений графита, а также легирующих элементов. Поэтому введение в кипящий расплав чугуна присадок, например, в виде солей иттрия, приводит к увеличению энергии активации,

> возрастанию числа центров кристаллизации металлической основы и зародыше-

вых центов выделения графита, а также повышению температуры кипящего слоя и разложению кристаллизационной воды, что в конечном итоге влечет изменение химических связей, ответственных за структуру и свойства. Причем, характер структурообразования направленный и определяется энергией связи между взаимодействующими частицами дисперсной фазы, а изменение химических связей носит ковалентно-металлический характер межатомных взаимодействий, что и определяет высокую износостойкость чугуна, так как прочность ковалентной связи на 30-40% выше металлической.

При решении экологических задач А.В. Гурьянов и Б.И. Модзолевкий предлагают, замороженные старые автомобильные покрышки разрушать высоковольтными электрическими разрядами, сжимая охрупченную холодом резину между электродами, как стальные листы при контактной точечной сварке [40]. На рисунке 1.13 представлено устройство для измельчения изношенных шин, которое включает в себя электродный узел, состоящий из диэлектрического основания 1, диэлектрического стерженя 2, жестко закрепленного на основании 1, кольцевых электродов 3 и 4, между которыми размещена шина 5, а также втулка 6. Деформа-

электрическим основанием 1, величиной, обеспечивающей по меньшей мере плотный контакт внутренних боковых поверхностей шины 5. Затем электроды фиксируют друг относительно друга. Электродный узел помещается в криостат, в который заливается жидкий хладагент, например, азот. В шине 5 выполнены радиальные сквозные надрезы 7. От генератора на электроды 3 и 4 подаются высоковольтные импульсы, в результате чего происходит пробой материала шины с образованием каналов, которые заполняются жидким хладагентом. Заполняющая

35 каналы диэлектрическая жидкость служит для концентрации энергии последующего электрического разряда, а, следовательно, для увеличения ее механического воздействия на окружающий материал. Возникшие цилиндрические ударные волны, расширяясь радиально, образовывают в момент своего столкновения зоны цилиндрической кумуляции. Кроме того, поскольку материал в протекторной части шины 5 находится в сложнонапряженном состоянии, то дополнительное механическое воздействие на него искровых разрядов приводит к его очень быстрому разрушению.

Рисунок 1.13. Устройство для измельчения изношенных шин: 1 - диэлектрическое основание, 2 - диэлектрический стержень; 3, 4 - кольцевые электроды; 5 - шина; 6 - втулка; 12 — радиальные сквозные надрезы

Результаты проведенных собственных исследований показали, что с помо-щью пиролиза при температуре 450С возможна дальнейшая утилизация мелких частиц резины без доступа воздуха с образованием продуктов углеводородного сырья, которое можно использовать для получения бензина и смазочных материалов, а также сухого остатка который также можно использовать в качестве топлива. Известны аналогичные работы по утилизации шин при атмосферном давлении

36. с помощью пиролиза, происходящего во вращающемся реакторе с образованием

47% легкой фракции, 11% газа и 32% сажи и 10% стали [41].

Новый способ экономичного сжигания топлива сводится к подготовке топлива к сжиганию путем предварительной обработки его в импульсном высоковольтном электрическом поле. Более полное сжигание обеспечивается дополнительной подачей ионизированного окислителя [42].

Особенно эффективно использование электроразрядной обработки в технологии получения водно-дисперсных эмульсий. На основании результатов исследований Б.П. Чеснокову и его коллегам удалось разработать ряд перспективных технологий с использованием высоковольтного электрического разряда [43, 44]. В этом плане представляет значительный интерес способ получения водотопливной эмульсии и система подачи ее в цилиндр двигателя внутреннего сгорания, представленный на рисунке 1.14.

При работе устройства топливо из топливного бака 2 через запорный кран и фильтр грубой очистки 3 поступает в топливоподкачивающий насос 4, откуда по топливопроводу низкого давления через топливные фильтры тонкой очистки 17 и обратный клапан 15 топливо поступает в диспергатор 16. Из ресивера 27, в который нагнетается воздух из компрессора (компрессор не показан), при давлении 0,7-0,8 МПа, контролируемое манометром, через газовый редуктор 26 и электромагнитный клапан 25 воздух подается в гидравлический аккумулятор 23, который управляет подачей воды из водяного бака. Вода, выходя из бака 22 и пройдя гидроаккумулятор 23, электромагнитный клапан запирания воды 24, водяной фильтр 20, дозатор воды 19 и обратный клапан 18, также поступает в диспергатор 16. ввиду разности плотностей и вязкости воды и дизельного топлива они при обычных условиях практически нерастворимы, поэтому в диспергаторе 16 в нижней части его всегда будет находится вода, а в верхней части дизельное топливо, и высоковольтные электроды всегда будут находится в воде. Полученная водотоп-ливная эмульсия из диспергатора 16, ввиду ее склонности к расслою, подается через электромагнитный клапан 13 в эмульгатор 12 с приводом механизма перемешивания, обеспечивающего постоянство состава ингредиентов эмульсии, и через

37 вентиль 10, топливопровод, топливный насос высокого давления 5 и топливопровод высокого давления 9 водотопливная эмульсия через форсунку 7 постурает в камеру сгорания 6. В схеме предусмотрен топливопровод 8, обеспечивающий отвод лишнего количества эмульсии из форсунки 7 в эмульгатор 12, что обеспечивает постоянный и стабильный состав смеси. В случае возникших неисправностей в системе приготовления водотопливной эмульсии предусмотрена байпасная линия с вентилем 11, обеспечивающая работу двигателя на чистом топливе.

Рисунок 1.14. Общая принципиальная схема системы подачи водотопливной эмульсии: 1 - запорный вентиль; 2 - топливный бак; 3 - фильтр грубой очистки; 4 — топливоподкачивающий насос; 5 - топливный насос высокого давления; 6 - камера сгорания; 7 - форсунка; 8 - трубопровод; 9 - топливопровод высокого давления; 10 - вентиль; 11 - вентиль; 12 - эмульгатор; 13 - электромагнитный клапан; 14 -^ байпасная линия; 15 — обратный клапан; 16 - диспергатор; 17 - топливные фильтры тонкой очистки; 18 - обратный клапан; 19 - дозатор воды; 20 - водяной фильтр; 21 - водяной трубопровод; 22 - водяной бак; 23 - гидравлический аккумулятор; 24 - электромагнитный клапан запирания воды; 25 - электромеханический клапан; 26 - газовый редуктор; 27 - ресивер

Таким образом, предлагаемое устройство реализует способ получения водотопливной эмульсии, отличительной особенностью которой является то, что пе-

38 ремешивание топлива и воды осуществляется путем воздействия электрического

разряда на воду, благодаря чему создается электрогидравлический удар, вызывающий разрушение молекул воды и частичное эмульгирование с топливом. Добавление излишков водотопливной смеси из форсунок в эмульгатор, а не в бак с водой, повышает стабильность состава смеси.

Заслуживают особого внимания работы в области биохимической технологии, определяющей совершенство сельскохозяйственного производства. При исследовании процесса пастеризации молока импульсным разрядом установлено, что кишечнополостная палочка погибает при разряде малой емкости и высоком напряжении, а остальные микробы, наоборот, при большей емкости и не высоком напряжении. Отмечается раскисляющее действие разряда, гомогенизирующий эффект и органолептические-изменения в молоке [45, 46].

Интенсивное развитие электрофизических технологий обработки пищевых продуктов сильными электрическими полями с целью инактивации микроорганизмов, вызывающих их порчу [47-50], делает необходимым изучение технологических факторов [51-54], и вопросов изучения проникновения и распределения электрического поля в биологической клетке [55].

Актуальной проблемой в последнее время является очистка и обеззараживание питьевой воды в регионах Заволжья. Для этой цели широкое использование находят дезинфицирующие растворы. Особо следует выделить электрически полученные растворы гипохлорита, которые обладают более сильным окислительным действием, чем приготовленные химическими методами, так как в них выше содержание гипохлоритной кислоты. Электролиз поваренной соли можно вести в двух направлениях: без разделения продуктов электролиза для получения гипохлорита натрия и с разделением их при помощи диафрагмы с получением газообразного хлора (рисунок 1.15).

Растворы гипохлорита натрия, полученные электролизом, фотохимически распадаясь, обладают большей бактерицидностью, чем хлорная вода и другие дезинфекторы, действующим началом которых является активный хлор. В США

электролитическое получение гипохлорита натрия уже нашло широкое практическое применение в водопроводах [56].

0 е

Рисунок І.15. Схема гипохлоритиого и хлорщелочного электролизера

В последнее время наиболее перспективными являются окислительные фотохимические технологии, объединенные термином Advanced Oxidation Processes (АОР), включающие методы одновременного воздействия УФ - излучения и естественных для природной среды окислителей. К технологиям АОР относят и приемы, использующие электрический разряд для очистки воды [57, 58] и обеззараживания сточных вод [59, 60]. В Иркутском научном центре СО РАН проводятся исследования по очистке промышленных и бытовых стоков путем обработки загрязненной воды ускоренными электронами, вызывающими разложение (ра-диолиз) воды на активные свободные радикалы, ионы кислорода, атомы водорода. Химические реакции с веществами-загрязнителями протекают быстро и бурно, что позволяет за час обезвредить 1500 м⁵ промышленных стоков. В результате получается чистая вода и углекислый газ. Вредные вещества коагулируют и выпадают в осадок, удаляемый из очистного сооружения простым фильтрованием. Таким образом, применение электрофизических методов обработки веществ в последние годы является перспективным направлением исследований. Однако эти работы не охватывают всех аспектов применения, и в частности использования

40
высоковольтного разряда как нового направления в микробиологии сбраживания
органических отходов. Предлагаемые на этой основе нетрадиционные технологии
для агропромышленного комплекса являются инновационными. Впервые высоко
вольтный электрический разряд был разработан сотрудниками СГАУ и прошел
апробацию в ОНО 11113 «Маркс» ГНУ МНТЦ «Племптица» Россельхозакадемия в
с 2002-2003 гг., подтвердившую эффективность предлагаемого технологического

процесса.

Таким образом, видно, что электротехнология находит применение в самых различных областях промышленности. За счет применения современных методов удается усовершенствовать технологический процесс.

1.5. Постановка задач исследования

Интенсификация известных способов переработки органических отходов,
включающая ускорение процесса анаэробного сбраживания за счет воздействия
температурного фактора, использования активных примесей и различных по кон
структивным особенностям перемешивающих устройств исчерпали себя по чисто
физическим, химическим и механическим причинам. В последнее время, разрабо
тан способ активации процесса анаэробного сбраживания с использованием вы
соковольтной обработки, которая позволяет повысить качество органических
удобрений и сократить время их получения [11,61]. Однако, предложенный спо
соб не дает возможности получать биогаз в большом количестве ввиду невозмож-
ности активации органического субстрата в большом объеме.
* Согласно законам термодинамики процесс разложения веществ должен быть

более эффективным при понижении температуры сбраживания, так как равновесие реакции разложения при этом сдвигается в сторону образования водородистых соединений и углекислого газа. Однако практически термодинамика говорит «да» в пользу данного процесса, а кинетика этого процесса его отрицает, и побеждает кинетика, так как ускорение процесса разложения наблюдается с повышением температуры, что следует объяснять несовершенством технологического процесса. Несмотря на это, предпочтительно использовать такие технологии, ко-

РОССИЙСКАЯ
Л] ГОСУДАРСТВЕННАЯ

I БИБЛИОТЕКА

торые позволяют вести реакцию при более низкой температуре, поскольку только это позволит улучшить экологию и повысить выход целевых продуктов.

Основные факторы, влияющие на работу метантенка, не позволяют обеспечить постоянство температурного воздействия и равномерность распределения температуры по всему объему, а также достаточную степень измельчения и акти-вационную способность органической составляющей субстрата. В связи с тем, что выход биогаза в большей степени зависит от технологии приготовления субстрата, чем от конструктивных усовершенствований биогазовых установок, то основной упор делается на совершенствование данной технологии за счет использования электротехнологии.

Целью данной работы служит повышение выхода биогаза при анаэробном сбраживании водного субстрата куриного помета за счет совершенствования технологии и оборудования на основе использования электрических разрядов.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. провести анализ существующих способов анаэробного сбраживания органических отходов и конструктивных особенностей биогазовых установок;

2. разработать способ, обеспечивающий увеличение выхода биогаза при анаэробной переработке органических веществ из водного субстрата куриного помета под воздействием электрического разряда;

3. разработать методику описания процессов анаэробного сбраживания и теоретически обосновать влияние электроимпульсной обработки на процесс получения биогаза;

4. доработать электрическую схему и обосновать параметры электроимпульсной установки;

5. разработать методику эксперимента и создать экспериментальную биогазовую установку;

6. исследовать изменение количества получаемого биогаза и состав газовой среды при воздействии электрическим разрядом;

7. экономически оценить предлагаемое техническое решение.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СПОСОБА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ВЫХОДА БИОГАЗА

2.1. Основные положения

Воздействие энергии электрического разряда на процесс анаэробного сбраживания водного органического субстрата куриного помета рассмотрено не достаточно полно [15, 61]. Сверхвысокое гидравлическое давление, возникающее в ионопроводящей жидкости, совершает механическую работу, за счет электрогидравлического эффекта, который обеспечивает разрушение органических составляющих субстрата и изменение гранулометрического состава. При этом происходит измельчение крупных фракций и увеличение мелких и средних частиц органики. Электрический разряд, выступая в роли окислителя, способен обеспечить высокоэффективный процесс «холодного» разложения в процессе анаэробного сбраживания и влиять на активность ионов водорода. Известно, что при существующем способе переработки органических отходов метаболическая активность и уровень воспроизводства метановых бактерий обычно ниже, чем кислотообразующих. В связи с этим наблюдается нарастание летучих кислот в субстрате, которые уменьшают активность метановых бактерий за счет снижения рН до 6,5. Поддержание кислотности субстрата благодаря высоковольтной обработке в пределах соответствующих оптимальным значениям рН 6,5-7,5 способно обеспечить высокую эффективность прохождения реакций.

Предлагаемый метод способен вызывать структурную перестройку биоорганической системы. В результате чего атомы углерода теряют электроны, а атомы кислорода, выступающие в роли окислителя, приобретают их. Таким образом, в процессе окисления атомы углерода и кислорода, соединяясь, образуют молекулы углекислого газа. Причем, полученная электрохимическая система с запасенной внутренней энергией электронов, способна обеспечить разложение органических составляющих субстрата в результате высокоэффективного «холодного» разложения. Следовательно, электрический разряд выступает в качестве инструмента, способного внести существенный вклад в совершенствование технологического процесса и повысить выход биогаза и высококачественных удобрений.

43 2.2. Анализ влияния различных факторов на рост микроорганизмов,

ответственных за выход биогаза и методика исследования

Из обзора литературы следует, что в биогазовых установках происходят сложные процессы биологического разложения органических веществ без доступа воздуха (в анаэробных условиях). При этом анаэробные бактерии разлагают органическое вещество, вследствие чего образуется биогаз, состоящий из метана, углекислого газа, сероводорода и других газовых ингредиентов. Однако, в традиционной технологии не обеспечивается максимальное разложение компонентов сбраживания и доля метана не превышает 50-70% от возможного объема.

Для теоретического обоснования способов интенсификации данного процесса необходимо выявить зависимость выхода биогаза от различных факторов. Важным фактором, влияющим на выход биогаза, является рН. Большинство мета-нообразующих бактерий растут в среде с рН, близким к нейтральному (6,5-7,5). При снижении уровня рН до 6,5 выход биогаза резко уменьшается. Кроме рН большое влияние на выход биогаза оказывают равномерность распределения биоорганической массы субстрата в метантенке, скорость вращения мешалки, температура окружающей среды, влажность субстрата и режим высоковольтной обработки (напряжение разряда, время и количество импульсов).

Соотношение органической массы и воды существенно влияет на выход биогаза. При реакции сбраживания, проходящей без участия воды, из 1 кг органического вещества образуется 1 кг газа, а при участии воды из 1 кг органического вещества получается больше 1 кг газа [1].

В нашем случае в метантенк загружается куриный помет, из расчета, что на 1 кг помета приходится 2,175 кг воды.

Химические процессы, происходящие при радиолизе воды, можно объяснить действием атомов водорода (Н) и радикалов (ОН). Электроны, образовавшиеся в процессе ионизации воды, в результате высоковольтного разряда отделяются от положительных ионов и гидратируются. Таким образом, радиолиз воды можно описать следующим образом:

Н₂0->е_гидр+Н⁺+ОН + Н₂ + Н₂0₂. (2.1)

Воздействуя электрическим разрядом на процесс анаэробного сбраживания можно поддерживать рН среды в оптимальных пределах (6,5-7,5). Кроме того, при обработке субстрата электрическим разрядом сообщается некоторая энергия, W, достаточная для активации процесса брожения, ускоряющая рост микроорганизмов, а следовательно, и скорость реакции, влияющая на концентрацию микроорганизмов в субстрате.

Основными показателями, по которым можно судить о выходе биогаза из водного органического субстрата, являются площади активных поверхностей биопленок.

Большое число факторов, влияющих на процесс брожения, затрудняет создание полной теории анаэробного сбраживания. В данной работе в соответствии с ее целью, ставится одна из теоретических задач: оценить влияние электрических разрядов на выход биогаза и. содержание метана в нем. Поэтому все факторы условно разделим на управляемые и неуправляемые. К числу управляемых отнесем кислотность среды (рН) и гранулометрический состав субстрата, напряжение, частоту и скважность электрических импульсов.

Остальные факторы отнесем к неуправляемым, но для эффективного процесса брожения их параметры необходимо поддерживать на уровнях, обеспечивающих нормальный биотехнологический процесс: температура субстрата t = 25 С; соотношение куриного помета и воды 1 -*- 2,2; качество подготовки органического вещества и т.д.

При решении оптимизационной задачи для технологического процесса получения биогаза из органического субстрата, необходимо учитывать эффективность использования энергии разрядного импульса. В работе Спиридоновой Е.В., обработка субстрата осуществлялась за счет подачи высокого напряжения на разрядный промежуток между двумя электродами, что не позволяет получать биогаз в большом объеме. Для повышения эффективности воздействия, обеспечивающей обработку водного субстрата в большом объеме, предлагается использовать систему электродов, позволяющую осуществлять чередование разрядов в виде волны. Причем конструкция разрядника спроектирована таким образом, что зазоры

между электродами, выполнены изменяющимися по высоте метантенка. Вначале срабатывает одна пара электродов, а затем обе пары. Таким образом, вначале инициируется разряд в малом объеме, а затем, после окончания предварительной стадии обработки, начинается вторая - основная стадия разряда в большем объеме, создавая бегущую волну. Перенос энергии распространяется вдоль столба жидкости, выводя ее из состояния равновесия.

На рисунке 2.1 представлена структурная схема объекта изучения.

"\J

. mnYr\_

Нормативные факторы, влияющие на процесс сбраживания органического субстрата и выхода биогаза:

8. Температура.

9. Скорость мешалки.

10. Гранулометрический состав.

11. Влажность.

12. Кислотность.

Управляемые факторы;

13. Напряжение.

14. Емкость конденсатора.

15. Частота, скважность и количество импульсов.

16. Мощность разряда.

N Ґ

Загрузка водного органического субстрата

Выгрузка водного органического субстрата

Рисунок 2.1. Структурная схема объекта изучения: 1 - метантенк, объемом V, 2 - система электродов с изменяющимся зазором, Э, 3 - дополнительный газовый разрядник для высоковольтной обработки биогаза, объемом Уи с электродами Э'

Газ, выходящий из метантенка, Q', поступает в дополнительный газовый разрядник, представляющий собой небольшую камеру с электродами. Поток биогаза подвергается электроимпульсной обработке, в результате которой происхо-

46 дит перераспределение газовых ингредиентов и повышение процентного содержания метана.

В метантенк объемом V и поверхностью /, подается биомасса (водный органический субстрат куриного помета) G. Биотехнологический процесс осуществляется обычным путем и активируется электрическим разрядом между электродами Э. Отличительной особенностью разрядного узла является то, что он включает в себя систему электродов с различными межэлектродными расстояниями, изменяющимися по высоте метантенка. В межэлектродном промежутке возникают градиенты давления, скорости, температуры, которые приводят к дроблению биомассы, а сама электрическая дуга стимулирует процесс выхода биогаза. На выходе 1 выделяется биогаз, Q'. В газовом разряднике, объемом V, имеется система дополнительных электродов, Э', которая предназначена для расщепления биогаза на отдельные компоненты с одновременной очисткой газовых ингредиентов. Кроме того, под действием электрического разряда, в газовом разряднике одновременно происходит синтез газовых частиц, в результате которого увеличивается процентное содержание метана; биогаз с улучшенными качественными свойствами, Q", поступает к потребителю.

Следовательно, электрический разряд воздействуя на рост метанообразую-щих бактерий позволяет получать энергию за счет восстановления СОг до метана в большем количестве:

С02 + 4Н₂->СН4 + Н₂0

Такое техническое решение открывает перспективное направление получения метана в нетрадиционной энергетике.

С точки зрения энергетических характеристик предлагаемое техническое решение характеризуется меньшими затратами энергии, так как первая стадия разряда увеличивает проводимость среды. Это приводит к уменьшению времени на второй стадии, благодаря увеличению напряжения и электропроводности среды, что облегчает сообщение джоулевой теплоты большему объему водного органического субстрата в межэлектродном пространстве. Причем увеличение проводи-

47 мости приводит к росту гидроакустических эффектов, сопровождающих данную

стадию.

2.3. Теоретическое обоснование процесса анаэробного сбраживания с учетом электротехнологии

До настоящего времени еще не создана общепризнанная математическая модель теоретического описания микробиологического процесса сбраживания органического субстрата, позволяющая учесть все факторы, влияющие на интенсивность процесса брожения и выход биогаза. Изучение процессов, связанных с выходом газа из водного органического субстрата в настоящее время ведут по двум направлениям: по скорости выхода газа и по его объему [1].

Анализ процесса скорости выхода биогаза показывает, что скорость истечения газа затрагивает сложные термодинамические процессы. Выход биогаза напрямую зависит от температуры сбраживания, гранулометрического состава фракций, концентрации органического вещества в исходном субстрате, влажности, зольности на сухую массу. Учесть все эти факторы очень сложно. Поэтому в диссертационной работе принято допущение по изучению объема выхода биогаза сім³ метантенка.

На процесс анаэробного сбраживания, а следовательно, на рост и развитие микроорганизмов, ответственных за выход биогаза, влияют тепломассобменные процессы. Основным элементом таких процессов является диффузия, т.е. процесс переноса вещества вследствие теплового движения частиц. Процесс переноса в сплошной среде обусловлен наличием градиента концентрации и вектора скорости. Учесть совместное действие этих факторов позволяет уравнение конвективной диффузии [1].

Для метантенка с произвольным объемом V_c, ограниченного поверхностью / баланс хода реакции определится переносом вещества вследствие молекулярной диффузии, конвекции, а также изменением концентрации вещества в объеме V водного субстрата.

48 В виду того, что молекулярная диффузия описывается законом Фика, перенос

вещества через элементарную поверхность можно представить следующим образом:

DgradC-ndf, (2.2)

где D - коэффициент молекулярной диффузии, D = 1,7-10 м /с; С- концентрация вещества, КОЕ/1 мл; п - единичный вектор нормали к поверхности. Полный поток вещества через поверхность/определим:

jj(DgradCn)df. (2.3)

В соответствии с теоремой Остроградского запишем интеграл по поверхности/через интеграл по объему V:

jjjdiv(DgradC)dV. (2.4)

Перенос вещества за счет конвекции через поверхность выделенного элемента субстрата описывается комплексом:

jj(Cwit)df, (2.5)

где w - вектор скорости.

Тогда, поток вещества через объем Уза. счет конвекции составит:

jjjdiv(Cw)dV. (2.6)

Изменение концентрации вещества в рассматриваемом объеме V равно:

_Щ-".

где — = х-время сбраживания, сут.;

V— объем аппарата, занятый субстратом, м ; и> - объемная скорость, об/мин.

Таким образом, уравнение баланса для выделенного элемента метантенка запишется следующим образом [1]:

49
— + div(Cw)-div(DgradC) = 0. (2.8)

Объем выбран произвольно, поэтому подынтегральное выражение равно нулю:

— + div (Civ) - div (D grad C) = 0. (2.9)

Последнее уравнение называется уравнением конвективной диффузии и описывает перенос вещества диффузией и конвекцией.

Скорость потребления компонентов субстрата, а следовательно, и объем выхода биогаза зависит от концентрации микроорганизмов в субстрате и от их площади. Уравнение конвективной диффузии не учитывает изменение концентрации вещества в среде, обусловленное процессом реакции.

С учетом изменения концентрации уравнение (2.9) можно записать следующим образом:

— = div(DgradC)~div(Cw)-Q_t=0, (2.10)
дх

где Qt - скорость выхода биогаза из субстрата в процессе биосинтеза.

В работе рассматривается водный органический субстрат, поэтому допускаем, что он обладает всеми свойствами жидкости. Так как жидкость несжимаема и плотность р = const, то div iv - 0, тогда полученное уравнение (2.10) можно упростить:

— = div(DgradC)-(ivgradC)-Q_t. (2.11)

Процессы, протекающие в биогазовой установке, будем рассматривать как стационарные [1], тогда уравнение примет вид:

div (D grad С) - {wgrad C)-Q_t=0. (2.12)

В метантенке большая часть органических частиц находится в жидкой фазе. Поэтому можно считать, что все частицы перемещаются с одинаковой скоростью, и это позволяет рассматривать диффузию в условиях неподвижной среды, т.е. Я> = 0.

В итоге уравнение (2.11) можно записать следующим образом:

50 div{DgradC)-Q_t =0,

(2.13)

div(DgradC) = Q_t. (2.14)

В приведенных уравнениях процесс представлен в объеме и идет по всем направлениям в пространстве.

Для теоретического рассмотрения процессов анаэробного сбраживания выделим элементарный объем метантенка (рисунок 2.2), в котором коэффициент молекулярной диффузии меняется во времени и остается постоянным в пространстве.

divy^O

Рисунок 2.2. Элементарный объем метантенка

Если допустить, что коэффициент диффузии D меняется во времени и остается постоянным в пространстве вдоль оси у, то (2.14) можно расписать следующим образом:

(2.15)

д ,_пдС. дБ дС _пд²С _

ду^v ду' ду ду ду²

Экспериментально доказано, что, воздействуя электрическим разрядом на водный органический субстрат, можно менять концентрацию микроорганизмов в нем [61]. При этом концентрация микроорганизмов в субстрате, не подвергав-

51 шемся высоковольтной обработке, составила - 8-10 , а в субстрате, обработанном по предлагаемой технологии -9-10 КОЕ в 1 мл.

Скорость выхода биогаза Q зависит от концентрации Q_t = f(C), а концентрация, в свою очередь, является функцией от механической, тепловой или электрической энергии W_h которая сообщается субстрату, следовательно С = /(Wj). Отсюда можно предположить^ что если концентрация возрастет, то увеличится выход биогаза.

Соотношение выхода биогаза и подведенной энергии определяется степенной

зависимостью Q = kW^m, где т - коэффициент чувствительности изменения концентрации к изменению энергии.

Так как диффузия принимается постоянной в пространстве, то уравнение (2.14) примет вид:

D—f- = Q_ti (2.16)

где Сг- концентрация биогаза по высоте метантенка, л/м ;

Qt - скорость выхода биогаза, л/ч.

Таким образом, вторая производная изменения концентрации по высоте метантенка и диффузия оказывают большое влияние на скорость выхода биогаза из водного органического субстрата. Следовательно, для увеличения эффективности процесса сбраживания, необходимо вводить энергию так, чтобы формировать изменение концентрации по высоте метантенка. С этой целью необходимо сконструировать систему электродов, формирующую электрогидравлический удар в направлении выхода биогаза.

Скорость выхода биогаза при традиционной технологии Q,j описывается уравнением:

Д^Р- = <2„. (2.17)

Скорость выхода биогаза при использовании электротехнологии Q_t2 определяется по выражению:

Я^Р = ₂. (2.18)

Отсюда видно, что основное влияние на выход биогаза оказывает динамика концентрации газа по высоте метантенка, а также коэффициент диффузии. Для интенсификации процесса необходимо усилить динамику концентрации по высоте.

Энергия электрического разряда, как и любая другая энергия (механическая, гидравлическая, химическая), сообщаемая среде, приводит к изменению концентрации вещества. В существующих биогазовых установках наиболее распространенным способом поддержания оптимальных условий для процесса анаэробного сбраживания, служит подведение тепловой (нагрев) и механической (мешалки различной конструкции) энергии. Основным фактором, от которого зависит скорость выхода биогаза, является концентрация биогаза в субстрате по высоте метантенка. Концентрация биогаза зависит от площади поверхности метанообра-зующих бактерий, зарождающихся в процессе анаэробного сбраживания. Однако, обратившись к эмпирическим данным, установлено, что площадь поверхности микроорганизмов в субстрате, подвергнутом обработке электрическим разрядом в 2,5 раза больше, чем в субстрате не прошедшем обработку. Предположим, что концентрация биогаза зависит от подведенной энергии С_г = f(W_t) и скорость выхода биогаза Q = f(W_l).

Зависимость концентрации от подведенной энергии при известном способе определяется выражением:

C_4y)=W_x^m(y). (2.19)

При использовании энергии электрического разряда:

С_2(у) = ^2^т(У)> (2-20)

где т — коэффициент чувствительности изменения концентрации к изменению энергии. Тогда, выражения (2.17)-и (2.18) примут вид:

В*ШШ = 0,,, (2.2,)

by*

_D к 2 ку)) = ^ ₍₂₂₂₎

где W, W - энергии, появеденные к субстрату, при традиционном способе и с использованием электротехнологии, соответственно, Вт;

Оль 0.12 — скорости выхода биогаза, соответственно, по традиционной и предлагаемой технологии, л/ч.

После преобразований выражений (2.21) и (2.22) получаем:

Dm{m - l)Wr\y) = Qu> (2.23)

Dm{m-l)Wr\y) = Q_t2- (2-24)

Классификация биогазовых установок

Биогазовые установки обеспечивают предотвращение загрязнений воздушного и водного бассейна, почвы и посевов, благодаря утилизации и дезодорации навозных стоков крупных животноводческих ферм и птицеводческих комплексов. Они являются основными устройствами для осуществления анаэробной переработки органических отходов при получении удобрений и биогаза [11,70], [82-86].

Однако интерес к использованию биогаза, как одного из перспективных альтернативных источников энергии, в последние годы продолжает возрастать. Это потребовало проведения исследований по разработке перспективных способов, обеспечивающих более качественное разложение субстрата, ускоренное развитие бактерий и высокую степень ферментации биологически разлагающихся органических веществ.

К приоритетным направлениям исследований следует отнести электрофизические методы на основе облучения электронами, гамма-квантами и воздействие высоковольтного электрического разряда на процессы анаэробного сбраживания. Поскольку в процессе сбраживания органического субстрата естественным окружением является вода, следовательно, она играет важную роль в катализе.

Обработка ускоренными электронами или гамма-квантами загрязненной воды, вызывает разложение (пиролиз) ее на активные свободные радикалы, атомы водорода и ионы кислорода.- Вступая во взаимодействие с веществами загрязнителями, свободные радикалы ускоряют химические реакции и способствуют получению чистой воды и углекислого газа. Примесные атомы и вредные вещества коагулируются и выпадают в осадок.

Флуктуации, вызванные высоковольтной импульсной обработкой воды, порождают активные частицы разряда - свободные атомы, свободные радикалы и колебательно-возбужденные молекулы, которые играют основную роль в энергии катализа.

Правомочность развития предлагаемых направлений подтверждается результатами как других ученых [7-10], так и собственных исследований [11, 93, 94, 96].

В соответствии с новой концепцией развития технологии анаэробного сбраживания органических веществ, представляется возможность расширения структурной схемы классификации биогазовых установок.

Представленная на рисунке 1.7 классификация позволяет проанализировать существующие методы и особенности конструкторско-технических решений биогазовых установок, а также указать на наиболее перспективные направления дальнейших исследований.

Из приведенных разновидностей электрофизического метода наибольший интерес представляет способ воздействия на водный органический субстрат высоковольтным электрическим разрядом, обеспечивающим сокращение времени разложения за счет активации субстрата, и увеличение выхода высококачественных целевых продуктов (биогаза и органических удобрений в минерализованном виде).

Использование новой элементной базы на основе современных малоиндуктивных емкостных элементов, которые дали возможность сократить длительность импульса тока, при разряде в водном субстрате, до 6 мс и генерировать ударные волны, вызывающие электрогидравлический эффект [12], а также коммутирующих разрядников и эффективных разрядных устройств (с КПД до 0,9-0,95), позволили разработать современное высокопроизводительное оборудование и новые технологии [13,14].

При воздействии высоковольтного разряда на сырьевые компоненты происходит дополнительное изменение органической составляющей и ускорение реакции в объеме субстрата благодаря модифицированию ферментов. Поскольку разложение органических составляющих субстрата происходит за счет деятельности определенных типов бактерий, существенное влияние на них оказывает как способ обработки, так и температура сбраживания [97, 98].

Энергия заряженных частиц, является основным фактором интенсификации метанообразования, обеспечивающим нивелирование характеристик, связанных с температурным воздействием и способствующим увеличению концентрации микроорганизмов в обработанном водном органическом субстрате реактора. В результате чего, биоэнергетическая установка позволяет вырабатывать в большом количестве газообразное топливо (метан) и органические удобрения в минерализованном виде.

Свойства биогаза являются решающим фактором его применения с точки зрения наличия вредных веществ и энергетического содержания (теплотворности). Следовательно, вопросы, связанные с получением биогаза, пригодного для использования его в качестве топлива, также приобретают решающее значение. При соблюдении оптимального температурного режима брожения, постоянном перемешивании выход биогаза достигает 2-3 м3 с 1 м3 реактора, а при использова-нии птичьего помета -6м. Практически для расчета пользуются данными, при которых 1 корова способна обеспечить получение 2,5 м3 газа в сутки, бык на от-корме - 1,6 м , свинья - 0,3 м , птица - 0,02 м в сутки [15,76].

Существует ряд факторов, влияющих на выход биогаза, - температура, рН, давление, интенсивность перемешивания, влажность, климатические условия и т.д., которые взаимосвязаны между собой и изменение одного из параметров может привести к понижению или повышению выхода биогаза. Основными являются температура и рН; что касается температурного фактора, то предпочтение отдается мезофильному режиму, который протекает при более низких температурах (15-35С), а в качестве оптимальных значений щелочности принимаеся рН=6,5-7,5.

Практическое использование в биогазовых установках высоковольтного импульсного разряда способствует ускорению процесса сбраживания и повышения выхода высококачественных продуктов разложения. Возможность использования существующего комплекса оборудования без изменения конструкций позволяет снизить капитальные вложения при использовании новой разработки. Анализируя литературные источники [16, 17] и зарубежный опыт конструирования биогазовых установок можно составить таблицу 1.1 технико-экономических показателей различных биогазовых установок.

Теоретическое описание процесса анаэробного сбраживания с учетом электротехнологии

Из обзора литературы следует, что в биогазовых установках происходят сложные процессы биологического разложения органических веществ без доступа воздуха (в анаэробных условиях). При этом анаэробные бактерии разлагают органическое вещество, вследствие чего образуется биогаз, состоящий из метана, углекислого газа, сероводорода и других газовых ингредиентов. Однако, в традиционной технологии не обеспечивается максимальное разложение компонентов сбраживания и доля метана не превышает 50-70% от возможного объема.

Для теоретического обоснования способов интенсификации данного процесса необходимо выявить зависимость выхода биогаза от различных факторов. Важным фактором, влияющим на выход биогаза, является рН. Большинство мета-нообразующих бактерий растут в среде с рН, близким к нейтральному (6,5-7,5). При снижении уровня рН до 6,5 выход биогаза резко уменьшается. Кроме рН большое влияние на выход биогаза оказывают равномерность распределения биоорганической массы субстрата в метантенке, скорость вращения мешалки, температура окружающей среды, влажность субстрата и режим высоковольтной обработки (напряжение разряда, время и количество импульсов).

Соотношение органической массы и воды существенно влияет на выход биогаза. При реакции сбраживания, проходящей без участия воды, из 1 кг органического вещества образуется 1 кг газа, а при участии воды из 1 кг органического вещества получается больше 1 кг газа [1].

В нашем случае в метантенк загружается куриный помет, из расчета, что на 1 кг помета приходится 2,175 кг воды.

Химические процессы, происходящие при радиолизе воды, можно объяснить действием атомов водорода (Н) и радикалов (ОН). Электроны, образовавшиеся в процессе ионизации воды, в результате высоковольтного разряда отделяются от положительных ионов и гидратируются. Таким образом, радиолиз воды можно описать следующим образом: Н20- егидр+Н++ОН + Н2 + Н202. (2.1)

Воздействуя электрическим разрядом на процесс анаэробного сбраживания можно поддерживать рН среды в оптимальных пределах (6,5-7,5). Кроме того, при обработке субстрата электрическим разрядом сообщается некоторая энергия, W, достаточная для активации процесса брожения, ускоряющая рост микроорганизмов, а следовательно, и скорость реакции, влияющая на концентрацию микроорганизмов в субстрате.

Основными показателями, по которым можно судить о выходе биогаза из водного органического субстрата, являются площади активных поверхностей биопленок.

Большое число факторов, влияющих на процесс брожения, затрудняет создание полной теории анаэробного сбраживания. В данной работе в соответствии с ее целью, ставится одна из теоретических задач: оценить влияние электрических разрядов на выход биогаза и. содержание метана в нем. Поэтому все факторы условно разделим на управляемые и неуправляемые. К числу управляемых отнесем кислотность среды (рН) и гранулометрический состав субстрата, напряжение, частоту и скважность электрических импульсов.

Остальные факторы отнесем к неуправляемым, но для эффективного процесса брожения их параметры необходимо поддерживать на уровнях, обеспечивающих нормальный биотехнологический процесс: температура субстрата t = 25 С; соотношение куриного помета и воды 1 - - 2,2; качество подготовки органического вещества и т.д.

При решении оптимизационной задачи для технологического процесса получения биогаза из органического субстрата, необходимо учитывать эффективность использования энергии разрядного импульса. В работе Спиридоновой Е.В., обработка субстрата осуществлялась за счет подачи высокого напряжения на разрядный промежуток между двумя электродами, что не позволяет получать биогаз в большом объеме. Для повышения эффективности воздействия, обеспечивающей обработку водного субстрата в большом объеме, предлагается использовать систему электродов, позволяющую осуществлять чередование разрядов в виде волны. Причем конструкция разрядника спроектирована таким образом, что зазоры между электродами, выполнены изменяющимися по высоте метантенка. Вначале срабатывает одна пара электродов, а затем обе пары. Таким образом, вначале инициируется разряд в малом объеме, а затем, после окончания предварительной стадии обработки, начинается вторая - основная стадия разряда в большем объеме, создавая бегущую волну. Перенос энергии распространяется вдоль столба жидкости, выводя ее из состояния равновесия.

Газ, выходящий из метантенка, Q , поступает в дополнительный газовый разрядник, представляющий собой небольшую камеру с электродами. Поток биогаза подвергается электроимпульсной обработке, в результате которой происхо дит перераспределение газовых ингредиентов и повышение процентного содержания метана.

В метантенк объемом V и поверхностью /, подается биомасса (водный органический субстрат куриного помета) G. Биотехнологический процесс осуществляется обычным путем и активируется электрическим разрядом между электродами Э. Отличительной особенностью разрядного узла является то, что он включает в себя систему электродов с различными межэлектродными расстояниями, изменяющимися по высоте метантенка. В межэлектродном промежутке возникают градиенты давления, скорости, температуры, которые приводят к дроблению биомассы, а сама электрическая дуга стимулирует процесс выхода биогаза. На выходе 1 выделяется биогаз, Q . В газовом разряднике, объемом V, имеется система дополнительных электродов, Э , которая предназначена для расщепления биогаза на отдельные компоненты с одновременной очисткой газовых ингредиентов. Кроме того, под действием электрического разряда, в газовом разряднике одновременно происходит синтез газовых частиц, в результате которого увеличивается процентное содержание метана; биогаз с улучшенными качественными свойствами, Q", поступает к потребителю.

Методика определения влияния высоковольтной обработки на рост микроорганизмов, ответственных за выход биогаза

Методически работа сводилась к визуальной оценке размеров биопленки и состоянию поверхности в зависимости от способа обработки органического субстрата, а именно полученной по известному способу и способу, основанному на активировании субстрата электрическим разрядом.

Для оценки размеров биопленок из микроорганизмов, выращенных на подложках из полистирольных пластин, использовался метод микробиологических исследований. Полученные биопленки извлекались из субстрата, не обработанного электрическим разрядом и подвергнутого обработке; укладывались на предметное стекло микроскопа и анализировались по стандартной методике, при увеличении равном 10, после чего проводилось фотографирование объекта.

Ввиду того, что воздействие высоковольтного электрического разряда на органический субстрат провоцирует зарождение и рост микроорганизмов, ответственных за выход биогаза, представляется возможным оценить разницу в геометрических размерах, полученных биопленок. Микробиологические исследования позволили подтвердить теоретические предположения об ускоренном росте биопленок и увеличении площади их поверхности при обработке субстрата электрическим разрядом.

В связи с тем, что биогаз представляет собой сложную смесь состоящую из метана (СН4 - 55-65%), углекислого газа (ССЬ - 28-43%), а также других газов в небольших количествах, например, сероводорода, необходимо использовать метод, позволяющий оценить состав биогаза и процентное содержание отдельных компонентов, входящих в смесь.

Методика измерения отбора проб и снятия характеристик состава газовых компонентов в биогазовой смеси, направлена на сопоставление процентного содержания газов в смеси, по существующей технологии и при воздействии электрического разряда.

Контроль биогазового потока и его состав осуществлялся высокочувствительным газоанализатором типа ГИВ-М (рисунок 3.4), работа которого основана на изменении сопротивления чувствительного слоя датчика при появления углеводородных газов в контролируемой среде. Для этого в дополнительном газовом разряднике был предусмотрен специальный патрубок, который непосредственно соединялся с газоанализатором, что позволяло осуществлять контроль биогазовой смеси как в обычных условиях, так и при воздействии электрического разряда.

При анаэробном сбраживании биогазовая смесь, проходя через газовый разрядник и дополнительный патрубок, поступала в измерительную камеру газоанализатора, после чего наблюдалось изменение сопротивления чувствительного элемента в сторону относительного его уменьшения. Изменение сопротивления датчика преобразовывалось в электрический сигнал, который усиливался и регистрировался измерительным прибором при увеличении концентрации биогаза. Наличие газа в трубопроводе фиксировалось отклонением стрелки индикаторной головки на блоке индикации. Чувствительность прибора позволяла фиксировать наличие метана не менее 1(Г3% по объему.

Аналогичный метод использовался при определении газового состава в случае прохождения биогаза через дополнительный газовый разрядник, в котором он подвергался воздействию разряда. Для этого на исследуемый объем биогаза через определенный промежуток времени накладывалось пробивное напряжение, при прохождении через разработанное устройство - газовый разрядник, представляющий собой камеру небольшого размера с высоковольтными электродами. Момент прохождения импульса тока через разрядник был согласован со скоростью потока биогаза. Причем рабочее напряжение разрядника составляло 8-10 кВ.

Следует отметить, что при работе газоиндикатора с адсорбционным фильтром ФАГ, производилась индикация метана в контролируемой среде, а без фильтра - суммарное содержание всех углеводородов.

КВЧ/СВЧ — радиоспектроскопия позволила оценить изменение активности микроорганизмов водного органического субстрата на начальном этапе обработки высоковольтным импульсным разрядом и прогнозировать выход биогаза.

Быстро протекающие процессы, происходящие в возбужденной системе водного органического субстрата под воздействием электрического разряда, потребовали использования нового метода, основанного на спектроскопии высокого разрешения, который соизмерим с быстро протекающими процессами переходного состояния. К числу таких методов следует отнести трансмиссионно-резонансную КВЧ/СВЧ - радиоспектроскопию, которая дает возможность анализировать сложный оптический спектр субстрата.

Трансмиссионно-резонансная КВЧ/СВЧ - радиоспектроскопия высокого разрешения позволяет оценить качественные изменения, происходящие в субстрате, увеличение активности метанобразующих бактерий, при воздействии электрическим разрядом и определить оптимальный режим обработки. Предметом изучения служит обработанный и необработанный электрическим разрядом водный субстрат куриного помета в процессе сбраживания.

Ввиду того, что в процессе обработки субстрата основную роль играют структурные изменения в жидкой среде, то, используя метод микролокации, удается проследить воздействие сильных возмущений, вызванных электрическим разрядом на структурные изменения водного субстрата. Инактивация обусловлена продуктами радиолиза ОН, Н и егидр и, тем, что газы вмешиваются «в происходящие реакции, действуя как акцепторы радикалов».

Анализ влияния высоковольтной обработки на рост микроорганизмов, ответственных за выход газа

Искровой разряд как взрывной процесс следует рассматривать со всеми вытекающими последствиями: образование ударной волны, пульсация газового пузыря, возможность осуществления серии следующих друг за другом взрывов и т.д. Кроме того искровой разряд, создавая в разрядном промежутке соответствующее число импульсных давлений и разряжений, требует выбора соответствующего генератора импульсов.

Так как производительность процесса определяется характеристиками разрядного импульса (энергией, длительностью, формой) и средней частотой их следования, то при выборе генератора в качестве рабочего инструмента целесообразно было провести анализ и дать оценку. В настоящее время разработаны и широко применяются тиратронные генераторы импульсов, а также специальные генераторы импульсов, обеспечивающие подачу на разрядный промежуток импульсов электрического тока с заданными временными и электрическими характеристиками. При проведении эксперимента использовался генератор импульсов типа RC. Возможность его использования обусловлена простотой конструкции и возможностью варьирования широким диапазоном режимов. Правомочность выбора данного типа генератора обоснована также тем, что сравнительные результаты по производительности процесса как для тиратронного генератора, так и при исполь зовании генератора RC для коронного разряда, показали одинаковые значения при средней частоте следования импульсов. Кроме того, форма импульсов тока тиратронного генератора существенно не отличается от формы импульсов тока при разряде конденсатора через промежуток.

Генератор возбуждает в водно-дисперсной среде импульсный разряд, который смещает равновесие между двумя всегда протекающими одновременно процессами: образованием и разрушением ассоциаций молекул - кластеров. Первый процесс идет с выделением тепла, второй - с поглощением. В обычных условиях, когда число возникающих и исчезающих кластеров одинакова, температура жидкой составляющей органической смеси не изменяется, если в нее не вносится тепло извне, или, наоборот, она его не отдает. Под действием импульсного разряда кластеров образуется больше, чем разрушается. Освобождается больше энергии межмолекулярных связей, чем поглощается при распаде. Наблюдается повышение температуры, причем не за счет энергии, вносимой в систему через импульсный разряд, а благодаря внутренней энергии межмолекулярных связей. Оба процесса интенсивнее идут у поверхностей раздела сред. Со временем свободных молекул в воде становится меньше, соответственно, меньше событий - образований кластеров. Реакция сбраживания снижается, пока не прекратится вовсе. Для осуществления данного процесса использовалась экспериментальная установка, фотография которой представлена на рисунке 4.7.

Установка включает в себя следующие элементы: блок питания с контрольно-измерительными приборами, трансформатор, блок выпрямителей, блок конденсаторов, шунтирующий блок, формирующий промежуток в рабочей камере. Небольшие габариты, высокая надежность и универсальность позволяют решить самые различные технологические задачи, включая очистку стоков и утилизацию отходов в сельском хозяйстве.

Экспериментально были определены электрические характеристики импульсного генератора. Детальное изучение процессов в импульсном генераторе проведено с помощью программы Matlab 6.5. На рис. 4.8,а, представлена схема генератора, на рис. 4.8,6 - волновые диаграммы. Результаты эксперимента свиде тельствуют о достаточно хорошем совпадении качественных (рис. .4) и экспериментальных данных (рис. 4.8,6). , 4 - блок управления питанием, 5 - искровой промежуток, 6 - рабочая камера С помощью программы Matlab 6.5. были получены следующие значения тока, напряжения и времени разряда.

Заряд происходит за 4 периода, как видно из рисунка 4.8,6. Напряжение разряда на конденсаторе 7000 В, остаточное напряжение 1000 В; ток разряда 45 А. Время зарядки конденсатора 0,15 с.

Разработанное устройство — газовый разрядник, представляющий собой камеру небольшого размера, из нержавеющей стали с вольфрамовыми электродами, на которые через определенный промежуток времени накладывалось пробивное напряжение в пределах 7 кВ. Момент прохождения импульса тока через разрядник согласован со скоростью движения биогаза.

Биогаз, выходящий из метантенка, по трубопроводу 1 поступает в разрядную камеру 4, в которую через высоковольтные вводы 2 подается разрядный импульс, способствующий процессу ионизации, разложения и очистке биогаза.

Методика измерения отбора проб и снятия характеристик газовых компонентов проводилась в промежутке после прекращения действия разрядного тока в сравнении с существующим технологическим процессом.

Экспериментально установлена максимально допустимая величина электрической энергии, превышение которой нежелательно. Это связано с тем, что более сильные токи ускоряют процесс, но возникающий электрический разряд способствует повышению оксидов озона и азота. Контролируя процесс газовыделения были подобраны режимы и параметры их электризации, определен частотный диапазон электрических импульсов, при которых вредные вещества не образуются, а процесс резко интенсифицируется.

Механизм воздействия высоковольтной обработки водного органического субстрата в процессе анаэробного сбраживания, и биогазового потока, при его очистке, основан, прежде всего, на фазовом переходе, создающимся в результате наведения статического электричества на обрабатываемые вещества. Причем фазовый переход сопровождается скачкообразным изменением состояния как субстрата, так и газовой смеси, приводя их в резонанс, ответственный за электрокинетические процессы.

Контактная электризация биогазовой смеси после окончания разряда между электродами искрового разрядника представляет собой столб нагретого и высоко-ионизированного газа, в котором идут процессы остывания и уменьшения концентрации заряда.

Установлено, что электроразряд при пропускании сквозь биогаз вызывает интенсификацию процесса разложения газовых составляющих смеси, увеличивает на 10% содержание метана в общем объеме, облегчает процессы разложения и очистки.

1. Развитие электрофизических технологий при обработке водного органического субстрата с целью активации микроорганизмов, ответственных за выход биогаза, делает актуальным использование данного способа в промышленности и дальнейшее совершенствование данного процесса.

2. С помощью метода трансмиссионно-резонансной КВЧ/СВЧ - радиоспектроскопии подтверждено предположение о появлении активных частиц в водном субстрате куриного помета при высоковольтной импульсной обработке. Данный метод позволил определить оптимальные режимы обработки: начальное напряжение U0=7 кВ, количество импульсов 5.

3. Экспериментально установлено явление фазового перехода органических частиц в водном субстрате. Наличие электрического потенциала способствует увеличению числа микроорганизмов, ответственных за выход биогаза, и дает возможность управлять технологическим процессом. Кроме того, увеличивается вероятность качественного изменения свойств получаемых конечных продуктов.

4. Подтвержден факт увеличения выхода биогаза в 5 раз при обработке органического субстрата электрическим разрядом. Площади поверхности биопленок, полученных по предлагаемой технологии, в 2,5 раза больше, чем без применения высоковольтной обработки.

Похожие диссертации на Совершенствование электроимпульсной технологии при получении биогаза из органических отходов

Электрогидравлическая обработка отходов мукомольного производства в технологии получения биоэтанолаГоловинов, Николай Валентинович

Совершенствование технологии ускоренного созревания льнотресты с использованием энергосберегающих электротехнологийБадретдинова Ирина Владимировна

Совершенствование технологии погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов на объектах АПК использованием переносного импульсного электромагнитного приводаКаргин Виталий Александрович

Совершенствование технологий и средств обеспечения бесперебойного электроснабжения предприятий агропромышленного комплексаХохлов Дмитрий Юрьевич

Совершенствование технических средств и технологий АПК системами с электромагнитными импульсными машинамиУсанов Константин Михайлович

Совершенствование физических методов и технических средств, обеспечивающих оптимизацию процессов в технологии инкубации яицМихайлова Ольга Валентиновна

Разработка технологии получения пряжи из отходов параарамидных нитей и тканей для изделий, эксплуатируемых в условиях повышенных температурМороз Ольга Николаевна

Технология получения коагулянта из отходов Гянджинского глиноземного комбината, применение его в процессах очистки природных водГахраманов, Фазаиль Галандар оглы

Разработка рациональной технологии получения пектина из отходов плодового виноделияЖиров Владимир Михайлович

Разработка технологии получения наносорбента на основе отходов переработки древесиныКосарев, Константин Леонидович