Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования
1.1 Процессы, протекающие в биогазовом реакторе Классификация биогазовых установок
Установки для переработки отходов агропромышленного комплекса в России
Обоснование применения биогазовой технологии в Республике Саха (Якутия)
Способы интенсификации процессов анаэробного сбраживания Перемешивание, как способ интенсификации анаэробного процесса сбраживания в метантенке малого объема Выводы
ГЛАВА 2. Теоретические исследования
Анализ математических моделей, описывающих процесс анаэробного сбраживания
Факторы, воздействующие на процесс перемешивания
Мощность, необходимая для перемешивания субстрата
Методы расчета мощности двигателя, необходимого для обеспечения оптимального перемешивания в метантенке
Коэффициент лобового сопротивления
ГЛАВА 3. Методика экспериментальных исследований
3.1 Программа экспериментальных исследований
Описание лабораторной установки и методики по определению выхода биогаза в зависимости от температуры мезофильного сбраживания и режима перемешивания
Описание лабораторной установки.
Методика по определению выхода биогаза в зависимости от типа расположения перемешивающего устройства горизонтального метантенка
Методика определения коэффициента лобового сопротивления
Описание экспериментальной установки и методики проведения исследований
Методика определения дозы ежесуточной загрузки сырья Методика определения сухого вещества (СВ) и процентного соотношения органического сухого вещества (СОВ) в сухом веществе (СВ)
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований по определению качества процесса анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота
Результаты эксперимента в зависимости от температуры мезофиль-ного режима сбраживания
Результаты эксперимента по выходу биогаза в зависимости от типа расположения перемешивающего устройства
Результаты эксперимента в зависимости от количества перемешивающих суточных воздействий на сбраживаемый субстрат
Канонический анализ математических моделей Выводы
ГЛАВА 5. Экономическая эффективность переработки навоза крупного рогатого скота в биоэнергетической установке
5.1 Параметры мезофильного метантенка объемом 1 м3
Расчет капитальных вложений для внедрения разработанной технологии
Расчет эксплуатационных показателей Энергетический эффект от внедрения технологии 93 95
5.5 Расчет экологических параметров технологии 113
5.6 Экономический эффект от внедрения разработанной технологии 117
Заключение 118
Список литературы 119
- Обоснование применения биогазовой технологии в Республике Саха (Якутия)
- Методы расчета мощности двигателя, необходимого для обеспечения оптимального перемешивания в метантенке
- Методика по определению выхода биогаза в зависимости от типа расположения перемешивающего устройства горизонтального метантенка
- Результаты эксперимента по выходу биогаза в зависимости от типа расположения перемешивающего устройства
Обоснование применения биогазовой технологии в Республике Саха (Якутия)
При мезофильном режиме сбраживания сохраняется высокий аминокислотный состав биоудобрений, но обеззараживание сырья не такое полное, как при термофильном режиме.
Особенности конструктивно-технологической схемы позволяют классифицировать биогазовые технологии по следующему ряду признаков. 1) По объему метантенка биогазовую технологию можно разделить на: а) малой мощности (до 100 м3, например, фермерские хозяйства); б) средней мощности (100 - 1000 м3, например, животноводческие комплексы); в) большой мощности (1000 - 10000 м3, например, промышленные заводы). 2) Формы метантенков, применяемых в различных технологиях анаэробного сбраживания, могут быть классифицированы как: а) цилиндрическая; б) прямоугольная; в) яйцеобразная.
С точки зрения динамики жидкостей, оптимальна яйцеобразная форма реактора, но ее сооружение требует больших затрат. Второй наилучшей формой является цилиндр с коническим или полукруглым дном и верхом. 3) Расположение биореакторов, применяемых в различных технологиях анаэробного сбраживания, могут быть разделены на две большие группы: а) горизонтальное; б)вертикальное; в) под уклоном. 4) Способ перемешивания, применяемый в различных биогазовых техноло гиях, можно разделить на: а) механический; б) гидравлический; в) барботажный (пневматический); г) естественный (спонтанный). 5) По способу организации технологического процесса биогазовые техноло гии подразделяются на: а) установки с периодической системой анаэробного сбраживания; 6) установки с непрерывной (поточной) системой анаэробного сбраживания; в) биогазовые установки с аккумулятивной системой анаэробного сбражи вания.
При поточной (непрерывной или квазинепрерывной) системе свежий субстрат загружают в камеру сбраживания непрерывно или через определенные промежутки времени (от 1 до 10 раз в сутки), удаляя соответственно такое же количество эффлюента (шлама). Если обеспечивается постоянство условий производства, а именно своевременность подачи биомассы, концентрации сухого вещества, загрузки рабочего пространства, оптимальной температуры брожения и равномерность перемешивания субстрата, то повышаются шансы получить максимальный выход газа при непрерывном процессе газообразования.
Система с попеременным использованием метантенков характеризуется прерывистым процессом, протекающим не менее чем в двух одинаковых по размерам и форме реакторах. Например, в случае ежесуточной загрузки свежего субстрата реакторы при образовании определенного количества шлама попеременно заполняются свежим субстратом и по истечении заданного срока брожения опорожняются. Поскольку при постоянном количестве подаваемого в реактор материала загрузка рабочего пространства во время процесса заполнения будет постоянно снижаться по сравнению с оптимальным значением, соответствующим исходному количеству шлама, потенциальная производительность этой системы будет использоваться не полностью. Кроме того, если учитывать наличие незаполненного объема реактора во время процесса загрузки, то эта рабочая система потребует большего рабочего объема, чем проточная; по американским исследованиям, он должен быть вдвое больше.
Еще одна особенность рассматриваемой системы заключается в том, что ее нельзя использовать без газгольдера с постоянным запасом газа, дающим возможность быстрого заполнения объема метантенка свежей дозой субстрата. Это требуется для предотвращения попадания воздуха в рабочее пространство метан I Ctlj\.d.
Аккумулятивная (бассейновая) система выполняется только с одним жидкостным метантенком. Он выполняет функции бродильной камеры и накапливает шлам до момента вывозки в поле. Поэтому метантенк никогда не опорожняют полностью; остаток шлама служит «закваской» для новой порции субстрата. При непрерывной подаче свежего субстрата постоянно снижается время, отводимое для брожения. В результате этого газовый потенциал накопившейся в реакторе массы используется не полностью. 7) Типы нагревающих устройств, применяемых в различных биогазовых технологиях, можно разделить на: а) внутренний (змеевик, радиатор); б) наружный (рубашка, выносной теплообменник;) в) без нагрева.
Наиболее распространенной системой подогрева сырья является внешняя система подогрева с водонагревательным котлом, работающим на биогазе, электричестве или твердом топливе. В качестве нагревательных элементов применяют теплообменники в виде змеевиков, секций радиаторов, параллельно сваренных труб, где теплоносителем служит горячая вода с температурой около 60С. Более высокая температура повышает риск налипания взвешенных частиц на поверхности теплообменника. Теплообменники рекомендуется располагать в зоне действия перемешивающего устройства, что помогает избежать осаждения твердых частиц на их поверхности.
В России биогаз рассматривается как один из альтернативных источников тепловой и электрической энергии в сельской местности и как эффективный способ переработки отходов животноводства, твердых бытовых отходов и коммунальных стоков в целях их утилизации и снижения отрицательного воздействия на окружающую среду. Только в сельскохозяйственном производстве ежегодно накапливается до 250 млн т органических отходов (150 млн т - в животноводстве и птицеводстве, 100 т - в растениеводстве) [13].
Важной предпосылкой развития биогазовой индустрии в России является не только кризисное состояние централизованного энергоснабжения, но и его отсутствие в ряде регионов. Средний уровень газификации составляет менее 70% в городах и 50% в сельской местности.
Методы расчета мощности двигателя, необходимого для обеспечения оптимального перемешивания в метантенке
В настоящее время все более актуальным становит получение новых штаммов микроорганизмов, которые обладают необходимыми требованиями к различным задаваемым условиям. Так, например, в работе Друзьяновой [34] выращены адаптированные мезофильные микроорганизмы обладающие повышенной способностью к метанообразованию при психрофильном режиме сбраживания.
Добавки-катализаторы, стимулирующие процессы окисления. В целях ускорения процесса сбраживания в субстрат могут добавляться различные катализаторы, которые изменяют соотношение углерода и азота (оптимальное соотношение C/N=20/1-30/1) или ферменты для ускорения роста микроорганизмов [111, 130]. Применение различных добавок в своих работах рассматривали Ковалева В. В., Bobeica V., Duca Gh., Воловой Т.Г., Миндубаева А.З., Минзановой СТ. [56, 69, 118, 120 ].
Иммобилизация микроорганизмов на носителе. Одним из наиболее эффективных способов увеличения окислительной способности традиционных биоэнергетических установок является применение адгезионной и адсорбционной иммобилизации биомассы на поверхности инертных твердых материалов. При этом происходит не только увеличение концентрации биомассы в единице объема реактора, но и повышается устойчивость микроорганизмов к негативным факторам окружающей среды, что, прежде всего, связано с обогащением видового состава биоценозов, как следствие, повышается стабильность к возмущающим воздействиям всей системы анаэробного сбраживания [25, 34, 116].
В настоящее время существует большое разнообразие сооружений, использующих естественную способность микроорганизмов к иммобилизации на носи 38 теле. Решающим фактором, определяющим образование и развитие биопленки, является эффективная массопередача субстрата к клеткам микроорганизмов, находящимся в прикрепленном состоянии. Установлено, что иммобилизация оказывает существенное влияние на параметры ферментативных реакций в зависимости от природы и свойств материалов-носителей. Отмечается, что фиксированные на поверхности микроорганизмы обладают высокой физиологической активностью и незначительной чувствительностью к залповым сбросам и токсическому воздействию компонентов субстрата.
Исследованиями иммобилизации микроорганизмов на гелях, мембранах, волокнах, решетках занимаются такие ученые как HenzeM., HarremoesP., LiaoB.Q., KraemerJ.T., BagleyD.M, Васильева А.С. [24,110, 116, 122].
Ко второй группе способов интенсификации процесса анаэробного сбраживания относятся конструктивно - технологические методы интенсификации процесса анаэробного сбраживания.
Значительные резервы интенсификации процессов получения биогаза скрыты в применении различного рода конструктивно - технологических методов интенсификации процесса анаэробного сбраживания.
Оптимальный температурный режим различен для каждого вида перерабатываемого сырья, но имеются уже ранее установленные диапазоны температур сбраживания: психрофильный (до 25 С, мезофильный (от 25-40 С) и термофильный (от 40 С). Исходя из этих температурных режимов наиболее популярным и широко применяемым является мезофильный и термофильный режимы сбраживания, поскольку наиболее благотворными для размножения метангенери-рующих микроорганизмов является высокая температура. Следует отметить, что в пищеварительной среде коров уже имеются данные микроорганизмы [108, 121, 128].
К преимуществам термофильного процесса сбраживания относятся: повышенная скорость разложения сырья и, следовательно, более высокий выход био 39 газа, а также практически полное уничтожение болезнетворных бактерий, содержащихся в сырье.
Недостатками термофильного разложения являются: большое количество энергии, требуемое на подогрев сырья в реакторе, чувствительность процесса сбраживания к минимальным изменениям температуры и несколько более низкое качество получаемых удобрений и биогаза.
При мезофильном режиме сбраживания сохраняется высокий аминокислотный состав биоудобрений, но обеззараживание сырья не такое полное, как при термофильном режиме [127].
При переработке органических отходов в психрофильном режиме процесс протекает дольше, чем в двух вышеуказанных режимах и естественно скорость разложения сырья намного дольше. Но при правильном подборе перерабатываемого сырья, применения других интенсифицирующих методов, данный режим сбраживания имеет высокий показатель по выходу биогаза. Достоинством данного режима является, то что он является менее зависящим от перепадов температур и не требует затрат на постоянное поддержание температуры в реакторе.
Для эффективной работы биогазовой установки и поддерживания стабильности процесса сбраживания сырья внутри метантенка необходимо перемешивание. Главными целями перемешивания являются: высвобождение произведенного биогаза; перемешивание свежего субстрата и популяции бактерий (прививка); предотвращение формирования корки и осадка; предотвращение участков разной температуры внутри реактора; обеспечение равномерного распределения популяции бактерий; предотвращение формирования пустот и скоплений, уменьшающих эффективную площадь реактора [1, 10, 119, 123].
Перемешивание может быть постоянным или периодическим в зависимости от режима работы реактора. Необходимые интервалы перемешивания должны быть определены для каждой биогазовой установки индивидуально путем проб. Правильный выбор оптимального перемешивания значительно уменьшает время сбраживания сырья и предотвращает образования корки
Методика по определению выхода биогаза в зависимости от типа расположения перемешивающего устройства горизонтального метантенка
В данной модели согласно третьему уравнению учитываются кинематические зависимости скорости массообмена субстрата и скорости продуктов метаболизма, как основные факторы, интенсивно воздействующие на процесс эффективной деструкции органического вещества навоза. Автор впервые учитывает процесс спонтанного (естественного) перемешивания и доказывает его недостаточную мощность для создания возмущающего воздействия на сбраживаемый субстрат в метантенке.
К работам, учитывающим перемешивание, как основной фактор относятся работы таких ученых как Трахунова И.А., Суслов Д.Ю. и др. [56, 78, 97, 99, 104, 114, 121].
В своей работе Трахунова И.А [99] описывает математическую модель процесса гидравлического перемешивания органического субстрата в метантенке биогазовой установки. Описанная модель гидравлического перемешивания основана на уравнениях механики сплошных сред и построена в декартовой системе для описания турбулентного течения. Следует отметить, что установка с гидравлическим перемешиванием субстрата являет собой весьма сложный аппарат.
Математическая модель процесса барботажного перемешивания биомассы, разработанная Сусловым Д.Ю., основывается на определении суточного выхода биогаза на основе модели Чена и Хашимото и включает уравнения движения биомассы и пузырей биогаза. Существует мнение, что биогаз, используемый при барботировании, ухудшает нормальное течение метанового сбраживания.
В работах Mendoza A.M., Martinez Т.М., Montanana V.F. представлены численные результаты распределения полей скоростей в цилиндрическом метантенке. Моделированием гидравлического перемешивания в горизонтальных метан-тенках с верхней подачей органического сырья занимаются такие ученые как Andrzej G. Chmielewski, Aleksandra Berbec. Модель гидродинамики для органического субстрата с неньютоновскими псевдопластическими свойствами описана в работе Terashima, Goel, Komatsu [126, 129]. Отличительной особенностью существующих моделей с гидравлическим перемешиванием является турбулентный режим течения субстрата. На наш взгляд, турбулента в какой-то степени разрушает пленки метаногенов, вызывая их гибель.
Описанные выше модели основываются на процессах гидравлического и барботажного перемешивания, когда массоперенос происходит путем подачи газа или самого субстрата под давлением. Поэтому не совсем корректно их использовать описания процесса с механическим перемешиванием.
Также выше приведены модели, описывающие процесс механического перемешивания субстрата, но они применимы для вертикальных метантенков с вертикально установленным валом мешалки. Авторы отмечают, что такое расположение вала способствует созданию турбулентного режима перемешивания. Также стоит отметить, что некоторые модели разработаны для перемешивания сыпучих субстанций или неживых субстанций. Поэтому они не подходят для описания процесса перемешивания в метантенке биоустановки, где находится живая среда с анаэробными микроорганизмами.
Турбулентный режим негативно влияет на жизнедеятельность метаноген-ных микроорганизмов - сильные вихревые потоки разрывают их оболочки вызывая их отмирание, также разрушают границы возникших колоний метаногенов, раскидывая их по всему объему реактора.
Поэтому на наш взгляд, следует применять мешалки, создающие более бережный и менее агрессивный режим перемешивания. Методом исследований работ таких авторов как A.Lemmer, Rezaee S., Fei Shen и др. [114, 121, 129], наиболее щадящей для колонии метаногенных бактерий и оптимальной для малых биогазовых установок по соотношению выхода биогаза, является частота вращения мешалки в пределах 50 - 80 об/мин.
В целях разработки математической модели процесса перемешивания, протекающего в метантенке мезофильной биогазовой установки, рассмотрим и обозначим основные факторы, влияющие на эффективный процесс анаэробного сбраживания. 2.2. Факторы, воздействующие на процесс перемешивания
Вопросу исследования процесса воздействия перемешивания посвящены работы таких ученых как Брагинский Л.Н., Стренк Ф., Плановский А.Н., Никольский Б.П., Шлихтинг Г., и др. [11, 23, 31, 32, 41, 80, 82, 91, 95, 96, 104, 115, 117, 126].
Математическое описание процесса деструкции органического вещества навоза в удобрение и биогаз представим в виде зависимостей между параметрами, характеризующими выход продукта метаболизма при переходе из одной фазы в другую и факторами от которых зависит объем и качество данного продукта. Основное влияние на выходные параметры процесса переработки навоза в метан-тенке могут оказывать факторы, во-первых, физико-механических свойств перерабатываемого сырья, во-вторых, конструктивные и кинематические параметры установки и перемешивающего устройства.
К физико-механическим свойствам относятся такие свойства перерабатываемого сырья, как влажность (W), объем сырья (Vc), температура сбраживания (і), доза ежесуточной загрузки сырья (VEC), период выдержки (т) и время гомогенизации (однородности) перемешиваемой среды (ег).
К конструктивным и кинематическим параметрам установки и перемешивающего устройства относятся: объем метантенка (Ум), частота вращения перемешивающего устройства («), площадь лопасти мешалки (S), количество лопастей (z), расположения мешалки (а) и периодичность перемешивания (к). VE = j(W, Ус, t, yEC,T,a,yM,n,S,z, а, к) (2.19) Из перечисленных факторов известными и задаваемыми нами методом априорной информации являются влажность (W), объем сырья (Vc) и доза ежесуточной загрузки (VEC), период выдержки (г), объем метантенка (VM), И гомогенизация (однородность) перемешиваемой среды (а). Данные факторы определены методом априорных исследований.
Результаты эксперимента по выходу биогаза в зависимости от типа расположения перемешивающего устройства
Для обоснования оптимальной температуры сбраживания в мезофильном режиме работы биоустановок, по результатам лабораторных исследований, описанных в п.3.2, построен график выхода биогаза в зависимости от периода выдержки субстрата (рис. 4.1).
Как видно с графика (рис. 4.1), выход биогаза от метантенков различен. Наиболее высокий показатель достигнут при температуре 40 С - 0,40 м3/кг СОВ в сутки. При температуре 33 С средний выход биогаза составил 0,31 м3/кг СОВ в сутки. При температуре 25 С - 0,17 м3/кг СОВ.
Выход биогаза из лабораторных мезофильных метантенков в зависимости от продолжительности сбраживания, м3/кг СОВ сут
Соответственно, выход биогаза при 40 0С больше в 1,6 раз, чем при температуре 33 0С; и больше в 2,9 раз, чем при температуре 25 0С. Однако, энергозатраты для поддержания рабочей температуры сбраживания в 40 0С больше в 1,8 раз, чем при температуре 25 0С; и больше в 1,4 раза, чем при температуре 33 0С. На рисунке 4.2 представлен график энергоэффективности каждого температурного режима.
Таким образом, можно утверждать, что наиболее эффективной в применении в условиях Республики Саха (Якутия) является температура 32-340 С. Из всех температур мезофильного режима сбраживания, данный диапазон градусов максимально снижает затраты на электроэнергию эквивалентным биогазом. Его энергоэффективность составляет 49%.
Определено наиболее эффективное расположение вала перемешивающего устройства в биоэнергетической установке. Установлено, что горизонтальное расположение вала мешалки, когда лопасти расположены вертикально, является наиболее эффективным, что подтверждается значением объема вырабатываемого газа - 0,3 м3/кг СОВ в сутки. При вертикальном расположении перемешивающего устройства выход биогаза составил 0,14 м3/кг СОВ в сутки. Мешалка, расположенная под уклоном 300к субстрату, обеспечила выход биогаза 0,20 м3/кг СОВ в сутки. В метантенке без перемешивающего устройства произведен биогаз объемом 0,12 м3/кг СОВ в сутки (рис. 4.3).
Выход биогаза из лабораторных метантенков с различной установкой мешалок и без мешалки, м3/кг СОВ в сутки Как видно из графика на рисунке 4.3, при горизонтальном расположении вала мешалки объем биогаза больше в 2,1 раза, чем при вертикальном расположе 104 ний; в 1,5 раза больше, чем при расположении вала под углом 300 и в 2,5 раза больше, чем от контрольной установки без мешалки.
Полученные результаты позволили составить вывод, что наиболее эффективным является перемешивание сбраживаемого субстрата при лопастях, расположенных вертикально. Это связано с тем, что образующимся в процессе метан-генерации пузырькам газа необходима помощь для всплытия к поверхности, что перерабатываемый субстрат имеет свойство оседать ко дну. Именно данное расположение лопастей позволяет достичь качественного массообмена внутри ме-тантенка и интенсифицировать производство минерализированного удобрения и сопутствующего продукта в виде биогаза.
Проведено исследование по влиянию количества суточных перемешивающих воздействий на процесс анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота в мезофильном режиме при температуре 33 С.
На основании результатов исследований, установлен оптимальный режим перемешивания сбраживаемого субстрата скребковой мешалкой. Сравнительный анализ экспериментов приведен на графике на рисунке 4.4. Максимальный показатель выхода биогаза в 0,31 м3/кг СОВ в сутки получен на четырех режимах, включающих, соответственно, следующие количества кратностей перемешивания: непрерывный и 4, 8 и 24 раза в сутки. Наименьший выход биогаза получен при спонтанном режиме перемешивания и составил 0,15 м3/кг СОВ. При непрерывном перемешивании и в режимах 4, 8, 24 раза в сутки выход биогаза варьируется в пределах от 0,28 до 0,31м3/кг СОВ в сутки, что соответствует принятым нормативам по выходу биогаза из навоза крупного рогатого скота.
При цикличности перемешиваний в 4, 8, 24 раз в сутки и непрерывном способе, процесс разложения органического вещества сбраживаемого субстрата почти одинаковый. При этом выявлена следующая закономерность, показанная на рисунке 4.5.
Результаты исследований показывают, что экспериментальные значения по выходу биогаза из навоза крупного рогатого скота соответствуют теоретическим результатам, что говорит об адекватности и достоверности проведенных исследований. Наиболее рациональным режимом перемешивания для применения в био 106 газовой установке малого объема является кратность в 4 раза в сутки, со средним показателем выхода биогаза 0,31 м3/кг СОВ.
Определен коэффициент лобового сопротивления (Сх) лопасти мешалки, который зависит от числа Рейнольдса и кинематической вязкости субстрата. Для различной влажности бесподстилочного навоза крупного рогатого скота определены зависимости от влажности, представленные на графике на рисунке 4.6.
Рисунок 4.6 - Теоретическое и экспериментальное значения коэффициента лобового сопротивления (Сх) при различных влажностях сбраживаемого субстрата
Как видно из графика, полученные экспериментально значения Сх при различных влажностях отличаются от теоретических справочных данных. Это говорит о том, что при расчетах мощности перемешивания для каждого отдельного случая необходимо определять значение данного коэффициента. Тогда, с наибольшей вероятностью можно спланировать максимально эффективный процесс анаэробного сбраживания того или иного вида навоза в мезофильном метан-тенке биогазовой установки.
Данные экспериментальных исследований были обработаны с помощью программы Statistica 13.2. На основании априорного ранжирования, выбраны наиболее значимые факторы, от которых зависит качество течения процесса анаэробной деструкции органического вещества перерабатываемого навоза, заданы уровни их варьирования. В свою очередь, качество процесса оценивается объемом производимого газа (Ув) согласно факторам и уровней варьирования представленных в методике расчета: VB = f (Сх, (В, a, z]L), м3 (4.1) Получено уравнение в канонической форме, характеризующая выход биогаза в зависимости от частоты вращения ю (xi) и коэффициента лобового сопротивления Сх (х2): Уб = 0,2357 - 1,0124Е-13 -xi + 0,955x2+8,1687E-16xi2 + 4,97-Е -15-хгХг -0,519х22 (4.2) Оптимальные значения факторов: xi=50... 70 об/мин; хг=0,07... 1,09.