Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1 Обзор существующих и перспективных технологических решений по переработке биоорганической массы 12
1.2 Особенности синтеза и технологии анаэробного сбраживания водного органического субстрата (на основе куриного помета) 15
1.3 Анализ конструкции биогазовых установок 27
1.3.1 Особенности конструкций установок отечественного производства 27
1.3.2 Зарубежный опыт использования технологического биогазового оборудования 34
1.3.3 Классификация биогазовых установок 49
1.4. Анализ существующих и перспективных технологических
решений контакторных систем 56
1.5 Постановка вопроса, цель и задачи исследований 67
1.6 Выводы 68
ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса массопереноса в газовой и жидкой фазах, моделирование процесса массопереноса через мембрану .69
2.1 Идеализация процесса массопереноса 69
2.2 Математическая-модель массопереноса в газовой фазе 71
2.2.1 Уравнение импульсов длягазовой фазы 71
2.2.2 Уравнение неразрывности для»газовой'фазы ... 76
2.3 Математическая модель массопереноса в жидкой фазе 84
2.3.1 Уравнение импульсов для жидкой фазы 84
2.3.2 Уравнение неразрывности для жидкой фазы 87
2.4 Моделирование процесса массопереноса через мембрану 88
2.5 Математическая модель процесса массопереноса в мембранном контакторе 92
2.6 Численные методики решения системы 96
2.7 Выводы 102
ГЛАВА 3. Методика исследования 103
3.1 Общая методика экспериментального исследования 103
3.2 Описание лабораторной установки для проведения экспериментов по обогащению метаном биогаза и насыщения воздуха либо воды углекислым газом 104
3.3 Методика экспериментальных исследований системы комплексной переработки органических отходов 113
3.4 Методика определения влажности и зольности 119
3.5 Планирование и обработка результатов эксперимента 120
3.6 Методика для измерения концентрации газов 126
3.7 Методика измерения влажности и температуры 128
3.8 Методика количественного химического анализа воды и водных растворов 131
3.9 Выводы 135
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 137
4.1 Сорбция углекислого газа в контакторе 137
4.2 Методика инженерного расчета установки 140
4.3 Имитационные модели процесса газоразделения биогазовой смеси с применением мембранно-абсорбционного контактора 145
4.4 Результаты эксперимента по разделению биогазовой смеси
с применением мембранно-абсорбционного контактора 147
4.5 Выводы 158
ГЛАВА 5. Технико-экономическая эффективность выполненных исследований 160
Общие выводы 166
Библиографический список 168
- Обзор существующих и перспективных технологических решений по переработке биоорганической массы
- Особенности синтеза и технологии анаэробного сбраживания водного органического субстрата (на основе куриного помета)
- Идеализация процесса массопереноса
- Описание лабораторной установки для проведения экспериментов по обогащению метаном биогаза и насыщения воздуха либо воды углекислым газом
Введение к работе
Интенсивное развитие сельского хозяйства, в том числе перевод животноводства и птицеводства на промышленную основу создает глобальную проблему утилизации жидких и твердых органических отходов образующихся в большом количестве. Хранить и перерабатывать такие отходы весьма непросто. Кроме того, в последнее время проблемы использования отходов животноводства привлекают пристальное внимание специалистов по охране окружающей среды и органов здравоохранения, озабоченных возможностью проникновения загрязнений в водоемы и распространения таким путем возбудителей заболеваний.
Сельское хозяйство, становясь источником загрязнения окружающей среды, требует особого внимания для решения данной проблемы, в этой связи биоконверсия сельскохозяйственных отходов приобретает решающее значение для агропромышленного производства. Необходимо научиться наиболее полно и экономично использовать ту часть отходов, которую возможно применить как удобрение, и в то же время решить проблемы, связанные с возможным загрязнением среды из-за большого объема таких отходов.
В настоящее время в Республике Марий Эл достаточно остро стоит энергетическая проблема. В сельском хозяйстве она усугубляется дефицитом энергетических мощностей, недостаточным уровнем централизации электроснабжения. Теплоснабжение животноводческих ферм, других производственных объектов и жилого сектора осуществляется от мелких котельных, работающих на привозном жидком и твердом топливе, доставка которого требует больших экономических и энергетических затрат.
Необходимость энергосбережения и снижения загрязнения окружающей среды заставляет более рационально использовать традиционные энергоресурсы, а так же искать другие, желательно возобновляемые и недорогие источники энергии.
Существуют различные методы и способы переработки органических
отходов агропромышленного производства, анализ работ
[4,5,14,21,28,35,38,56,83,96] показывает, что рациональное использование
топливно-энергетических ресурсов невозможно без совершенствования существующих и создания новых энергосберегающих технологий, к которым в полной мере можно отнести процесс анаэробного сбраживания органических отходов. Совершенствование данного процесса позволит успешно бороться с высокой загрязненностью почвы и водных слоев отходами агропромышленного производства, а так же решать вопросы по обеззараживанию и более глубокой переработке отходов растениеводства, животноводства и птицеводства с одновременным получением товарного биогаза и высококачественных удобрений.
Процессы, основанные на разложении органических отходов, с получением газа и его последующим использованием в быту, известны давно: в Китае - мировом лидере по производству биогаза - история насчитывает 5 тыс. лет, в Индии - 2 тыс. лет.
При переработке органических отходов в анаэробных условиях образуется горючий газ на 60% состоящий из метана, и твердый остаток, содержащий весь или почти весь азот и все другие питательные вещества, содержащиеся в исходном растительном материале. В природе такой процесс развивается при недостатке кислорода, в .местах скопления веществ растительного и-животного происхождения: в болотах, осадках на дне озер, а также в желудке травоядных. Он может протекать и в закрытой емкости, наполненной подходящим органическим веществом, куда не поступает воздух. Метанобразующие бактерии и некоторые другие микроорганизмы, продуцирующие нужные этим бактериям субстраты, формируют в таких условиях систему прочных симбиотических отношений, которая может функционировать неопределенно долгое время, если в нее в подходящем количестве поступают все новые порции отходов.
К органическим отходам агропромышленного производства относят продукты растениеводства, в особенности солома, свекольная и картофельная ботва и другие растительные остатки, если они не использовались непосредственно в качестве корма, а так же экскременты животных. Таких отходов ежегодно образуется 250 млн. т. (по сухому веществу) из них: в
животноводстве и птицеводстве - 150 млн.т., а в растениеводстве - 100 млн.т. [94,95]
Содержащиеся в органических отходах микроэлементы в большинстве случаев могут быть вновь использованы как органические удобрения, что позволяет таким образом экономить минеральные удобрения, требующие больших затрат энергии и средств.
В последнее время возрастает интерес к разработкам новых конструкций биоэнергетических установок для переработки органических отходов в условиях анаэробного сбраживания [23,43,90,137,105], для получения газообразного топлива и органических удобрений в процессе метановой ферментации отходов агропромышленного производства и имеющих следующие достоинства, выгодно отличающие от других методов и способов переработки [7,9,12,14,15,20,26,43,92]:
выделяемый биогаз является источником энергии;
получение высококачественного органического удобрения, уничтожение яиц гельминтов, семян сорных растений, подавление запаха навоза;
поддержание чистоты окружающей среды;
улучшение социальных условий проживания сельского населения;
возможность организации безотходного производства*.
Главным недостатком анаэробных процессов переработки является малая скорость реакции по сравнению с аэробными процессами [126], поэтому для достижения лучшего эффекта требуется установки больших размеров. К тому же сказывается недостаток фундаментальных научных знаний по данным процессам, а так же опыта и данных по их крупномасштабной реализации. Следовательно, развитие в области анаэробной переработки органических отходов производства и переработки сельскохозяйственной продукции должно идти в направлении разработки систем с большой биологической активностью, проектирования более компактных аппаратов, при одновременном изучении кинетики, микробиологического и биохимического механизмов процессов сбраживания.
Установлено [36,84,93,94,], что анаэробная переработка отходов животноводства и растениеводства приводит к минерализации азота и фосфора - основных слагаемых удобрений, обеспечивая их лучшую сохранность, тогда как при традиционных способах приготовления органических удобрений методами компостирования безвозвратно теряется до 30-40% азота.
Российский опыт последних лет, показывает, что биогазовые технологии при их комплексной экономической оценке с учетом требований современного рынка становятся востребованными. Эти технологии являются, комплексными техническими решениями и в зависимости от социально-экономического положения общества на рынке может доминировать тот или иной продукт в зависимости от способа переработки. Если до последнего времени рынок определял в качестве доминирующего положения производство органических удобрений, а биогаз и экология, стояли на втором месте, то в настоящее время упор делается на выработку биогаза [94].
Существующие способы и методы переработки навоза животных для получения органических удобрений не нашли широкого применения в Республике Марий Эл из-за неподходящих климатических условий и низкого технического уровня сельхозпроизводства. По нашему мнению наиболее подходящим способом переработки навоза может послужить анаэробное метановое сбраживание, в сооружениях устанавливаемых непосредственно вблизи животноводческих ферм и работающих в течение теплого времени года, а при определенных условиях и круглогодично.
Проведенные исследования показали, что состав и количество биогаза не являются постоянными и зависят от вида перерабатываемого субстрата и технологии производства биогаза. Для стабилизации состава получаемого биогаза и доведение его до качественного, самостоятельного альтернативного источника энергии возможно при использовании мембранного газоразделения, что позволит расширить сферы применения биогаза. Разработанный новый методы разделения, основанный на использовании селективных мембран нашел применение в предложенной к разработке технологической схеме.
Имеющие ряд преимуществ мембранные технологии, позволяют качественно
извлекать, из газовой смеси заданный компонент, используя мембранную абсорбцию
в противоточном режиме между жидкой и газовой фазами разделенных мембраной в
мембранном контакторе. К тому же мембранные методы в большинстве случаев
являются более дешевыми и экологически чистыми.
^ В настоящее время мембранное разделение является одной из наиболее
интенсивно развивающихся отраслей технологии разделения газов. Наиболее перспективным представляется использование мембранной абсорбции для очистки газовых смесей от кислых примесей, осушки воздуха, а также для оксигенации, озонирования и обезгаживания жидкостей.
В связи с этим, разработка и исследование технологии для анаэробной
переработки органических отходов с применением очистки биогазов методом
и мембранного газоразделения и получения смеси газов, обогащенной метаном
является актуальной задачей, решение которой будет способствовать
совершенствованию технологий получения биогазов.
Цель исследований. Совершенствование технологии анаэробной переработки органических отходов сельскохозяйственного производства с применением очистки биогазов методом мембранного газоразделения и описание закономерностей массопереноса в мембранно-абсорбционных газоразделительных системах.
Объект исследований. Процесс переработки органических отходов, с получением биогаза обогащенного метаном, воздуха либо воды насыщенных углекислым газом, и высококачественного удобрения.
Методика исследований. Теоретические и экспериментальные
исследования переработки органических отходов и разделения полученного
биогаза выполнены методом факторного анализа, методом планирования
экспериментов; экспериментальные исследования проведены на основе общих
положений проведения научно-исследовательских работ с использованием
'# стандартных методик получения и разделения биогазов; параметры
оптимизировались путем математического моделирования.
Научная новизна. Заключается в разработке модели процесса массопереноса в жидкой и газовой фазах мембранно-абсорбционной газоразделительной системы, позволяющей оптимизировать параметры ее работы в составе системы комплексной переработки органических отходов.
Практическая ценность работы. Разработана технологическая линия
^ комплексной переработки органических отходов, с получением биогаза
обогащенного метаном, воздуха либо воды насыщенных углекислым газом, и
высококачественного удобрения. Новизна технического решения подтверждена
патентом РФ на полезную модель.
Реализация результатов исследований:
Автором в составе группы ученых и специалистов России выполнена
работа по разработке технологической линии комплексной переработки
,> органических отходов, с получением биогаза обогащенного метаном, воздуха
либо воды насыщенных углекислым газом, и высококачественного удобренияш рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», выполнение научно-исследовательских работ:
«Выполнение работ по развитию центра коллективного пользования «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей», (ЦКП ЭБЭЭ)» в рамках государственного контракта № 02.552.11.7005;
«Разработка способов получения удобрений и субстратов методом биодеградации биологически разлагаемой части твердых коммунальных отходов для использования в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве» в рамках государственного контракта № 02.515.11.5020.
Результаты работ переданы заказчику - правительству Российской Федерации. На основании выполненных исследований составлены технические предложения, которые переданы заинтересованным организациям - ОАО ># «Тепличное», ЗАО Племзавод «Семеновский» Республики Марий Эл.
По результатам исследований разработана, изготовлена и запущена в
эксплуатацию на птицефабрике ОАО «Тепличное» Республики Марий Эл
биогазовая установка и технологическая линия получения биогаза обогащенного метаном, воздуха либо воды насыщенных углекислым газом. . Назащиту выносятся:
1. Усовершенствованная система комплексной переработки органических
отходов, с получением биогаза обогащенного метаном, воздуха либо воды
tfe насыщенных углекислым газом, и высококачественного удобрения.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов массопереноса в мембранно-сорбционных газоразделительных системах..
Методика расчета технологической линии комплексной переработки органических отходов.
4. Результаты испытаний и технико-экономическая эффективность
)ju опытно-промышленного образца биогазовой установки, размещенной в ОАО
«Тепличное» Республики Марий Эл, эффективность его использования в хозяйственных условиях.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований
доложены и одобрены на научных конференциях профессорско-
преподавательского состава «Наука в условиях современности» Марийского
государственного технического университета в 2005-2008 годах, на П-й
Всероссийской научно-практической конференции «Организация и развитие
информационного обеспечения органов управления, научных и
образовательных учреждений АПК» («Росинформагротех» г. Москва 2006г.), на
международной научной сессии «Агротехинновации в АПК», (МГАУ г. Москва
2006г.), на Всероссийской научно-практической конференции
«Энергосберегающие технологии и новые источники энергообеспечения в производстве и техническом обслуживании материально-технической базы отраслей АПК» (ВВЦ г. Москва 2007г.), на научно-практической конференции в рамках международной научно-образовательной школы-конференции по Щ биоинженерии и приложениям «Перспективы развития инноваций в биологии» (МГУ имени М.В. Ломоносова г. Москва 2007г.), на научно-практическом семинаре «Энергетика и энергосбережение: настоящее и будущее» в рамках
коллективной экспозиции Минобрнауки России и Роснауки, VIII Московского международного салона инноваций и инвестиций (ВВЦ г. Москва 2008г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах, в том числе 5 в журналах перечня ВАК, получен патент РФ на полезную модель № 65048.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 43 рисунка, список литературы из 163 наименований, 5 приложений.
Обзор существующих и перспективных технологических решений по переработке биоорганической массы
Современные проблемы энергетики вызывают необходимость поиска и 7 применения альтернативных источников топлива и энергии. К таким источникам относится биомасса (органические вещества растительного и животного происхождения), одним из основных поставщиков которой является агропромышленное производство. Ежегодное количество органических отходов в сельском хозяйстве России составляет 250 млн т, из них 150 млн т приходится на животноводство и птицеводство (навоз, помет), 100 млн т на растениеводство (солома). Учитывая также, что большая часть территории # страны занята лесами и то, что лесо- и деревопереработка является одним из направлений хозяйственной деятельности сельскохозяйственных предприятий, дающая 700 млн т отходов ежегодно. Общий объем биомассы в АПК достигает 950 млн т в год.
В последнее время внимание к эффективному использованию биомассы как источника энергии заметно повысилось. В пользу этого процесса появились и новые аргументы: - использование растительной биомассы при условии ее непрерывного , восстановления (например, новые лесные посадки после вырубки леса) не г приводит к увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере; в промышленно развитых странах вследствие интенсификации сельскохозяйственного производства в последние годы появились излишки обрабатываемой земли, которую целесообразно использовать под "энергетические плантации"; - энергетическое использование биомассы решает также и экологические проблемы; v - новые технологии позволяют использовать биомассу более эффективно.
В таблице 1.1 приведена стоимость 1 кВт-ч энергии, полученного при сжигании различных видов топлива. Таблица 1.1- Сопоставление затрат на получение 1 кВт-ч энергии при использовании различных источников энергии (для Германии) ц 03яКс онuQк 09 оОняCD33о, н03со о4-А Н Оок(=:PQ КПД отопительного котла, % Низшая теплота сгорания, кВт-ч/кг Затраты на получени 1 кВ т-ч, пфеннигов Котельное топливо 0,60...0,90 за 1 л - 90 9,8 6,8...10,2 Рапсовое масло 0,70...1,00 за 1л - 90 9,3 8,4...11,9 Природный газ 0,50...0,80 за 1 м3 - 95 8,8 6,0...9,6 Сжиженный газ 0,50...0,80 за 1 л - 95 9,2 5,7...9,2 Бывшая вупотреблениидревесина 5,00...15,0 за 1 м3 20 85 3,7 0,7...2,2 Щепа: свежая 20,00 за 1 м3 50 85 2,0 3,4 высушенная 32,00 за 1 м3 10 90 4,7 4,2 Пшеница: некондиционная 16,50 за 1 ц 14 85 4,5 4,3 энергетическая 22,00 за 1 ц 14 85 4,5 5,8 Солома 8,00 за 1 ц 16 85 4,2 2,2 12,00 за 1 ц 16 85 4,2 3,4
Потенциал биомассы, пригодный для энергетического использования, в большинстве стран достаточно велик и его эффективному использованию уделяется значительное внимание.
В США в 1990 году благодаря использованию биомассы было произведено 31 млрд кВт-ч электроэнергии, в 2010 году планируется выработать 59 млрд кВт-ч.
По оценкам немецких специалистов потенциал различных видов биомассы Германии составляет: по остаткам лесо- и деревопереработки - 142 млн ГДж/год, по соломе - 104 млн ГДж/год и по биогазу - 81 млн ГДж/год. При этом доля отходов лесо- и деревоперерабатывающей промышленности предполагалась в размере 25% годового прироста древесины; для соломы учитывалось ее количество, оставляемое на поле; для биогаза - учитывались только те хозяйства, которые имеют не менее 20 голов крупного рогатого скота или эквивалентного количества свиней или птицы.
Энергия, запасенная в биомассе, может конвертироваться в удобные для использования виды топлива или энергии несколькими путями: 1. Получение растительных углеводородов (растительные масла, высокомолекулярные жирные кислоты и их эфиры, предельные и непредельные углеводороды и т.п.). Например, для южных районов России это может быть рапсовое масло, добавляемое к дизельному топливу. 2. Термохимическая конверсия биомассы в топливо: прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, фест-пиролиз. 3. Биотехнологическая конверсия биомассы в топливо: низкоатомные спирты, жирные кислоты, биогаз.
Учитывая особенности сельской-энергетики, связанные со значительной удаленностью объектов от централизованных источников энергоснабжения, необходимостью наличия зарезервированных источников энергии для технологических процессов в животноводстве и птицеводстве, наиболее подходящим способом решения вышеперечисленных проблем является создание технологий и оборудования для использования отходов сельскохозяйственного производства и лесопереработки для получения тепловой и электрической энергии.
Анализ информационных материалов показал, что существует целый ряд экономических, энергосберегающих и экологических преимуществ, связанных с развитием теплоснабжения на основе утилизации топливосодержащих материалов, таких как растительные отходы и отходы лесопереработки. До последнего времени они использовались в незначительных объемах.
Таким образом, из проанализированных выше методов переработки биоорганической массы наиболее перспективным является анаэробное сбраживание, позволяющее реализовать следующие преимущества: получение качественного органического удобрения, энергоносителя в виде биогаза, снижение загрязненности окружающей среды, повышение урожайности.
Однако промышленное применение анаэробного сбраживания в настоящее время не получило широкого распространения по причинам недостаточного качества получаемых биогазов, - насыщенных парами воды, взвешенными частицами и высоким содержанием углекислого газа. Повышение качества получаемых биогазов возможно за счет применения различных способов очистки и отделения вредных примесей. Работа биогазовых систем с использованием газоразделительного оборудования исследовано не достаточно полно. Отсутствуют методики инженерного расчета и проектирования таких систем.
Особенности синтеза и технологии анаэробного сбраживания водного органического субстрата (на основе куриного помета)
Для переработки и обеззараживания отходов и стоков птицеводства широко используют два типа биологических процессов: - аэробные процессы, в которых микроорганизмы используют кислород, растворенный в сточных водах; - анаэробные процессы, в которых микроорганизмы не имеют доступа ни к свободному растворенному кислороду, ни к другим, предпочтительным в энергетическом отношении акцепторам электронов, таким как нитрат - ион.
В этих условиях микроорганизмы могут использовать углерод, входящий в состав органических молекул, в качестве акцептора электронов. При очистке сточных вод наиболее широко применяемым анаэробным процессом является сбраживание ила, однако самые совершенные аппараты уже используются для очистки сельскохозяйственных и промышленных стоков и разложения органических веществ.
При выборе между аэробными и анаэробными процессами обычно склоняются в сторону первых, так как эти системы признаны более надежными, стабильными и лучше изученными. Однако анаэробные процессы имеют несколько несомненных преимуществ. Во-первых, в анаэробных процессах образуется меньше ила, чем в аэробных. В аэробных процессах стоимость переработки ила весьма большая из-за его высокой влажности (90..99,7%) образуется,от 1,0...1,5 кг биомассы (ила), то в анаэробных — только 0,1...0,2 кг на каждый удельный килограмм биохимической потребности в кислороде (БПК), Во-вторых, в анаэробных процессах образуется метан, который может использоваться как горючее. И, в-третьих, даже без учета использования метана в качестве источника энергии потребность в энергии на аэрацию в аэробных процессах повышает потребность в энергии на перемешивание при анаэробных процессах.
Биологическое разложение преимущественно органических соединений, а также части легколетучих и резко пахнущих веществ, содержащихся, прежде всего в свежих экскрементах животных, приводит к выделению газов и образованию неприятного запаха. Неорганические элементы в зависимости от их вида, состава, сроков и места поступления могут вызвать неблагоприятные последствия, например снижение урожайности и качества продукции растениеводства или загрязнение вод. Кроме того, наличие в отходах возбудителей болезней представляет собой потенциальную опасность для людей и животных.
Таким образом, подход к проблеме переработки отходов сельскохозяйственного производства должен базироваться на требованиях защиты окружающей среды, куда входят: — устранение эмиссии неприятных запахов при получении и храпении отходов; — предотвращение контаминации продукции, заражения людей и животных возбудителями болезней; — предотвращение перегрузки почвы, воды и растений вредными веществами.
При этом применение анаэробных методов сулит дополнительные преимущества с точки зрения производства сельскохозяйственной продукции и экономии энергии, так как при известных условиях позволяет экономить покупные удобрения благодаря использованию удобрительных свойств продуктов сбраживания, а также первичную энергию путем реализации энергетического потенциала растительных, отходов. Биохимия и микробиология анаэробных процессов образования метана сложнее, чем аэробных. Биометаногенез или метановое сбраживание представляет собой процесс разложения органических веществ до конечных продуктов, в основном метана и углекислого газа в результате жизнедеятельности сложного комплекса микроорганизмов в анаэробных условиях. Однако до сих пор нет полной ясности относительно роли и степени участия в них разных групп микроорганизмов, последовательности отдельных химических реакций, составляющих процесс, и влияния на них фактора среды.
Согласно современным представлениям, анаэробное метановое сбраживание включает четыре взаимосвязанных стадии [35]:
1. Ферментативный гидролиз нерастворенных сложных органических веществ (белков, липидов, полисахаридов и др.) с образованием более простых растворенных веществ (мономеры, аминокислоты, углеводы и др.);
2. Кислотообразование с выделением короткоцепочечных летучих жирных кислот (ЛЖК), аминокислот, спиртов, а также водорода и углекислого газа (кислотогенная стадия);
3. Ацетогенная стадия превращения ЛЖК, аминокислот и спиртов в уксусную кислоту, диссоциирующую на анион ацетата и катион водорода;
4. Метаногенная стадия — образование метана из уксусной кислоты, а также в результате реакции восстановление водородом углекислого газа.
В процессе анаэробного сбраживания участвуют пять групп бактерий (рисунок 1.1). К группе 1 относятся ферментативные бактерии, представленные в основном родами Bacillus, Micrococcus, Pseudomonas, Clostridium и т.д., осуществляющие стадии ферментативного гидролиза и кислотообразования. Почти все бактерии этой группы относятся к быстрорастущим факультативным анаэробам с оптимумом рН = 6,5-7,6. Бактерии выделяют в среду биологические катализаторы - экзоферменты, при участии которых и осуществляется гидролиз и перевод твердых нерастворимых соединений в растворимое состояние.
Идеализация процесса массопереноса
На основании вышеизложенного можно отметить, что процесс анаэробного сбраживания органических отходов, а также качественный выход целевых продуктов в виде биогаза и минеральных удобрений в большей степени зависит от технологии приготовления сырьевых компонентов, чем от совершенствования конструкций биогазовых установок. Качество же получаемого биогаза для использования в виде источника энергии остается достаточно низким, в работе предлагается получение биогазовой смеси обогащенной метаном и воздуха либо воды насыщенных углекислым газом, за счет применения мембранно-абсорбционных газоразделительных систем.
Цель исследования - совершенствование технологии анаэробной переработки органических отходов сельскохозяйственного производства с применением очистки биогазов методом мембранного газоразделения и описание закономерностей массопереноса в мембранно-абсорбционных газоразделительных системах.
По результатам материалов обзора установлено, что процесс переработки биоорганических отходов нуждается в совершенствовании, в частности доведении получаемого биогаза до более высокого качества очистки от вредных примесей и углекислого газа.
На этом основании и в соответствии с целью исследований сформулированы следующие задачи:
1. Выполнить теоретические исследования по обоснованию характеристик мембранно-абсорбционных газоразделительных систем, применительно к биогазу, для получения газовой смеси обогащенной метаном и воздуха либо воды насыщенных углекислым газом.
2. Разработать методику экспериментальной оценки качественных показателей работы газоразделительной системы.
3. Создать опытно-производственный образец технологической линии для переработки органических отходов в соответствии с разработанной методикой и провести ее испытания в хозяйственных условиях.
4. Экспериментально проверить результаты, полученные теоретически, и оптимизировать параметры газоразделительной системы.
Выполнить оценку полученных результатов в лабораторно-полевых условиях и произвести расчет технико-экономической эффективности усовершенствованной технологической линии для получения биогаза обогащенного метаном
1. На основании приведенного литературного, анализа можно сделать вывод, что в настоящее время самой перспективной технологией переработки биоорганических отходов агропромышленного комплекса является анаэробное сбраживание. Данная технология позволяет получать универсальные органические удобрения и товарный биогаз.
2. Промышленное применение анаэробного сбраживания в настоящее время, не получило широкого распространения по причинам недостаточного качества получаемых биогазов, насыщенных парами воды, взвешенными частицами и высоким содержанием углекислого газа до 30 — 35 %. Повышение качества получаемых биогазов возможно за счет применения с помощью мембранно-абсорбционных газоразделительных систем, работа которых недостаточно исследована в составе комплексов по анаэробному сбраживанию.
3. Мембранно-абсорбционные газоразделительные системы имеют большое разнообразие типов, но для применения в комплексе с биогазовыми установками, целесообразно применение мембранно-абсорбционных контакторных систем с непористой мембраной на основе поливинилтриметилсилана (ПВТМС). Применение их в процессах газоразделения рассматривается уже давно, однако работа контакторов такого типа на основе данной мембраны при разделении биогазовых смесей не исследована.
4. В настоящее время разработаны подходы к моделированию процессов функционирования мембранно-абсорбционных контакторов, однако известные модели не учитывают не постоянство состава биогазов.
Как было сказано ранее газ - жидкостный мембранный контактор (рисунок 2.1), представляет собой разделительное устройство, в котором две движущиеся фазы газовая и жидкая разделены мембраной. Компоненты селективным образом переносятся из газовой фазы в жидкую или наоборот, реализуя тем самым процесс разделения. такими тепловыми эффектами можно пренебречь ввиду малых потоков проникающих через мембрану. Для. примера оценим изменение температуры воды за счет поглощения С02:
Описание лабораторной установки для проведения экспериментов по обогащению метаном биогаза и насыщения воздуха либо воды углекислым газом
Проведя анализ существующих конструкций и технологий для переработки органических, отходов методом анаэробного сбраживания хотелось бы отметить, что данный процесс, а также качественный выход целевых продуктов в виде биогаза и органических удобрений в большей степени зависит от технологии приготовления сырьевых компонентов, чем от совершенствования конструкций биогазовых установок. Для проведения экспериментальных исследований была разработана установка "Биогазовые , технологии" позволяющая решать в исследовательском плане все возникающие задачи: определять оптимальные условия проведения биоконверсионного процесса для различных типов исходного сырья, исследовать и отрабатывать методики очистки и промышленной подготовки получаемых биогазов с помощью современных мембранных газоразделительных технологий.
В состав установки вошли следующие основные блоки и системы: биореакторный комплекс, газоразделительный комплекс и система контроля и анализа.
Основными технологическими узлами установки являются два биогазовых реактора с регулируемыми термодинамическими параметрами и газоразделительный комплекс для выделения из биогазов целевых компонентов в виде продуктов, обогащенных метаном и углекислым газом.
Органическое сырье после его подготовки (измельчения и увлажнения) подают в рабочий объем биогазовых реакторов, где поддерживаются заданные температура и давление.
Получаемые в биореакторах биогазы после предварительной обработки f% (осушки и очистки от сероводорода и аммиака) подают в приемник боигаза.
После заполнения приемника биогаза и отключения его от биореакторов в нем создают избыточное давление, а биогаз направляют в газоразделительную установку. В газоразделительной установке с помощью мембранных технологий производят выделение из биогаза продуктов в виде газовой смеси, обогащенной метаном, и воздуха, обогащенного углекислым газом.
Аналитический комплекс позволяет: измерять температуру и давление в биореакторах, осуществлять ионометрический контроль перерабатываемого сырья, загружаемого в биореакторы, в рабочей зоне биореакторов и на выходе из биореакторов, измерять газовые расходы, анализировать покомпонентный газовый состав биогазов на всех этапах их производства и переработки, контролировать загрязненность атмосферы рабочих помещений.
Принципиальная схема установки приведена на рисунке 3.2. Представленные на схеме средства контроля имеют следующие обозначения: А1 - измерение температуры, А2 - измерение давления, A3 — измерение влажности, А4 - измерение содержания, сероводорода и аммиака, А5 — измерение содержания углекислого газа, А6 — измерение содержания метана, А7 — ионометрический контроль органического сырья, А8 — измерение газового расхода.
Биореакторный комплекс предназначен для проведения исследований по анаэробному метаногенному разложению органического сырья различного происхождения. Конструкция биореакторов позволяет осуществлять режимы психрофильного, мезофильного и термофильного брожения, за счет возможности задания и поддержания требуемых уровней температуры. Техническая характеристика:
Количество биореакторов два Объем каждого биореактора не менее. 500 литров Объем загружаемого сырья для каждого реактора...не более 400 литров Диапазон стабилизации температуры 15-60 С % Рабочее избыточное давление не более.0,1 МПа. Перемешивание жидкости механическая мешалка Режим перемешивания периодический Привод мешалок пневматический, ручной Контролируемые параметры давление, температура Герметичность (утечки биогаза) не более 2,5 литров в сутки Утечки жидкости не более 2 литров в сутки т Режим работы биореакторов в составе установки .... продолжительный. Биореакторный комплекс (рисунок 3.3.) включает в себя следующие узлы и системы.
