Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор 15
1.1. Системы газоснабжения сельскохозяйственных предприятий 15
1.2. Энергетический потенциал биомассы 17
1.3. Основные направления использования биогаза в сельском хозяйстве 19
1.4. Методы увеличения выхода биогаза 21
1.5. Эффективность использования биогаза на животноводческих предприятиях 23
1.6. Оценка возможности утилизации остатка анаэробной ферментации 29
1.7. Анализ технологических характеристик газифицируемых устройств термической сушки побочного продукта производства биогаза 31
1.8. Анализ возможного применения газогорелочных устройств в установке термической сушки с псевдоожиженным слоем 37
1.9. Постановка задач исследования 40
1.10. Выводы по главе 1 t 41
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования 43
2.1. Постановка экспериментальных исследований 43
2.2. Методы и способы измерений 44
2.3. Описание экспериментальной установки 47
2.4. Методика проведения исследований ' 52
2.4.1. Определение состава уходящих продуктов сгорания 52
2.4.2. Определение коэффициента избытка воздуха газогорелочного устройства с принудительной подачей воздуха 52
2.4.3. Определение пределов устойчивости работы газогорелочного устройства 53
2.4.4. Определение скорости псевдоожижения материала 54
2.4.5. Определение максимальной удельной массы материала 54
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования способов подводд теплоты для интенсификации процесса сушки материала 55
3.1. Определение оптимального режима процесса сушки остатка анаэробной ферментации с использованием биогаза в качестве источника тепловой энергии 55
3.2. Экспериментальные исследования процесса сушки инфракрасным излучением сброженного субстрата при использовании биогаза в качестве топлива 56
3.3. Экспериментальные исследования режимов процесса конвективной сушки в сушилке, с кипящим слоем 64
3.4. Выводы по главе 3 71
ГЛАВА 4. Исследование процесса сжигания биогаза в установках термической сушки и выявление оптимальной конструкции ГГУ с принудительной подачей воздуха 72
4.1. Экспериментальное определение оптимальной конструкции газогорелочного устройства с принудительной подачей воздуха для сжигания биогаза... 72
4.2. Экспериментальные исследования методов обеспечения устойчивого сжигания биогаза в газогорелочных устройствах установок термической сушки сброженного субстрата 81
4.3. Выводы по главе 4 86
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования по определению граничных условий существования псевдоожиженного слоя в установке термической сушки остатка анаэробной ферментации 87
5.1. Характеристика псевдоожиженного слоя г 87
5.2. Экспериментальное определение скорости псевдоожиния частиц обрабатываемого материала 88
5.3. Экспериментальные исследования по определению максимальной удельной массы материала 92
5.4. Экспериментальные исследования гидравлического сопротивления псевдоожиженного слоя 95
5.5. Выводы по главе 5 98
ГЛАВА 6. Практическая реализация результатов исследования 99
6.1. Замкнутый цикл обработки и утилизации отходов животноводства с использованием биогаза в качестве источника тепловой энергии 99
6.2. Рекомендации по определению оптимальных конструк-тивных параметров, установки термической сушки остатка анаэробной ферментации с псевдоожиженным слоем 110
6.3. Эколого-экономическая эффективность внедрения биогазовых технологий на предприятиях сельскохозяйственного комплекса 114
6.4. Выводы по главе 6 116
Заключение 117
Список использованной литературы 119
- Эффективность использования биогаза на животноводческих предприятиях
- Экспериментальные исследования процесса сушки инфракрасным излучением сброженного субстрата при использовании биогаза в качестве топлива
- Экспериментальные исследования методов обеспечения устойчивого сжигания биогаза в газогорелочных устройствах установок термической сушки сброженного субстрата
- Рекомендации по определению оптимальных конструк-тивных параметров, установки термической сушки остатка анаэробной ферментации с псевдоожиженным слоем
Введение к работе
Актуальность проблемы.
В настоящее время в Российской Федерации насчитывается более 33 тыс. сельскохозяйственных предприятий, из них только 2 % снабжаются природным газом [22, 70]. Основной причиной этого является удаленность объектов от магистральных сетей газоснабжения. В связи с этим возникает необходимость поиска доступных альтернативных источников энергии, позволяющих вести эффективную хозяйственную деятельность.
В сельском хозяйстве ежегодно образуется более 250 млн. т твердых и жидких отходов, содержащих органику [80]. Суммарный потенциальный выход биогаза, который может быть получен на сельскохозяйственных биогазо •з вых установках, можно оценить в 6100 млн. м /год, что эквивалентно 4820 тысяч тонн условного топлива.
Предприятия по выращиванию, откорму и содержанию животных являются основными источниками загрязнения окружающей среды в сельской местности, специфика которых заключается в преобладающем влиянии неорганизованных выбросов (пруды - отстойники, навозохранилища), выделяющих до 99,5% от общей массы вредных веществ, а также в нерегулярном характере процессов выделения и образования загрязняющих веществ.
Анаэробная обработка отходов животноводства в биогазовых установках (БГУ) позволяет достичь резкого снижения заражения окружающей среды болезнетворными микроорганизмами, исключения запаха, сопутствующего животноводческим производствам, уменьшения вредных выбросов в атмосферу. Одновременно с обеззараживанием отходов в процессе анаэробной ферментации образуется биогаз, его использование на предприятии позволяет полностью или частично обеспечить потребности хозяйства в тепловой и электрической энергии, а также ценное органическое удобрение, реализация которого значительно снижает эксплуатационные затраты на БГУ.
Данная работа выполнялась в рамках подпрограмм «Регулирование качества окружающей природной среды» и «Отходы» Федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России (2002 - 2010 годы)» (постановление Правительства РФ от 7.12.2001 г. №860).
Цель работы - совершенствование системы газоснабжения сельскохозяйственных предприятий путем привлечения нетрадиционного возобновляемого источника энергии биогаза и разработка системы его утилизации.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- аналитическое исследование целесообразности применения биогазовых технологий на животноводческих предприятиях;
- анализ основных теплофизических характеристик продуктов анаэробной ферментации (сброженного субстрата, биогаза) сельскохозяйственных БГУ;
- разработка замкнутого цикла обработки и утилизации отходов животноводства с использованием биогаза в качестве источника тепловой энергии;
- сравнительный анализ основных способов сушки остатка анаэробной ферментации, позволяющих получить заданное качество продукта и обеспечивающих эффективное использование биогаза в зависимости от поголовья фермерского хозяйства;
- экспериментальные исследования способов подвода теплоты для интенсификации процесса сушки материала и орределение удельного расхода теплоты на единицу сухого вещества;
- экспериментальное определение граничных условий существования псевдоожиженного слоя (скорость псевдоожижения частиц материала, максимальная удельная масса материала);
- экспериментальные исследования по выявлению оптимальной конструкции газогорелочного устройства для установки термической сушки сброженного субстрата;
- экспериментальные исследования методов обеспечения устойчивого сжигания биогаза в газогорелочных устройствах установок термической сушки сброженного субстрата;
- разработка рекомендаций по определению основных конструктивных параметров установки термической сушки остатка анаэробной ферментации с псевдоожиженным слоем.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, моделирование изучаемых процессов и обработку экспериментальных данных методами математической статистики.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована планированием необходимого объема экспериментов и подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- предложен коэффициент запаса тепловой энергии, с помощью которого рекомендуется оценивать целесообразность производства и использования биогаза в энергетических целях;
- усовершенствована система газоснабжения сельскохозяйственного предприятия за счет рационального использования биогаза в установке термической сушки;
- разработан замкнутый цикл обработки, и утилизации отходов животноводства с использованием биогаза в качестве источника тепловой энергии;
- разработана установка термической сушки с псевдоожиженным слоем для обработки сброженного субстрата сельскохозяйственных БГУ;
- предложен коэффициент экологического воздействия, характеризующий суммарное влияние оксида углерода и диоксида азота на окружающую среду;
- получены экспериментальные зависимости основных параметров псевдоожиженного слоя (скорость псевдоожижения частиц материала, максимальная удельная масса материала, гидравлическое сопротивление кипящего слоя).
Практическое значение работы:
- даны рекомендации по выбору газогорелочных устройств для сжигания биогаза в установках термической сушки сброженного субстрата и устройств стабилизации факела горения;
- разработаны рекомендации по определению оптимальных конструктивных параметров установки термической сушки остатка анаэробной ферментации с псевдоожиженным слоем;
- получены экспериментальные зависимости основных параметров псевдоожиженного слоя (скорость псевдоожижения частиц материала, максимальная удельная масса материала, гидравлическое сопротивление кипящего слоя).
Реализация результатов работы:
- материалы диссертационной работы использованы при проектировании установки термической сушки с кипящим слоем в СПК «Излучное», Ду-бовского района Ростовской области;
- система сушки отходов животноводства с использованием биогаза в качестве альтернативного источника энергии внедрена на бдзе экспериментальной площадки ООО Трест «Городищегазсервис», р.п. Городище Волгоградской области;
- материалы диссертационной работы использованы кафедрой ТГС ВолгГАСУ в курсах лекций и в дипломном проектировании при подготовке инженеров специальности 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция».
На защиту выносятся:
- схема системы газоснабжения сельскохозяйственного предприятия с привлечением биогаза в качестве нетрадиционного возобновляемого источника энергии;
- экспериментальная установка для исследования процесса сушки сброженного субстрата с использованием биогаза в качестве топлива;
- экспериментальные и графические зависимости, характеризующие способы подвода теплоты для интенсификации процесса сушки материала;
- рекомендации по выбору типа газогорелочного устройства для установки термической сушки и методов стабилизации пламени;
- аналитические зависимости граничных условий существования псев-доожиженного слоя (скорость псевдоожижения слоя, максимальный удельный вес материала);
- рекомендации по определению основных конструктивных параметров установки дегидратации остатка анаэробной ферментации с псевдоожижен-ным слоем.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались, обсужда І лись и получили одобрение на II, III, IV Международных научных конференциях «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» Волгоград 2003-2005; VIII, IX, X Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области «Архитектура, градостроительство, строительство и экологические проблемы», Волгоград 2003-2005; Ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоград 2005-2006. Всего опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 в журналах, рецензируемых ВАК.
Эффективность использования биогаза на животноводческих предприятиях
Достаточно высокое содержание метана в биогазе, а следовательно, и высокая теплота сгорания, предоставляют широкие возможности применения биогаза в сельском хозяйстве. При разработке системы по производству и использованию биогаза необходимо выбирать оптимальные варианты комплектации установок из множества возможных с учетом многочисленных местных и внешних условий. С точки зрения утилизации энергии биогаза можно выделить следующие основные направления его использования [61]: для покрытия собственных энергетических нужд БГУ; в качестве топлива для получения теплого воздуха или горячих газов на сушку сельхозпродукции или обогрева сельскохозяйственных зданий; в теплицах для отопления и подкормки растений углекислым газом; в качестве горючего для двигателей транспортных средств; для термической обработки органических отходов; для получения электроэнергии; для приготовления пищи и получения горячей воды для животных; для бытовых нужд персонала сельскохозяйственного предприятия; для сушки сброженного субстрата, получаемого при анаэробной обработке биомассы. Основной статьей суммарного теплопотребления БГУ является тепловой поток на нагрев и поддержание температуры сбраживаемого субстрата в биореакторах. Применение биогаза в качестве источника теплоты значительно снижает эксплуатационные затраты и повышает энергетический КПД биогазовой установки. Для отопления теплиц и помещений сельскохозяйственных предприятий в холодное время может служить биогаз, сжигаемый в горелках инфракрасного излучения или в котельной установке при ее наличии. При использовании биогаза в виде топлива для двигателей внутреннего сгорания необходима его глубокая очистка от механических примесей и балластных газов, входящих в его состав, что приводит к многократному удорожанию получаемого топлива. Кроме того, использование биогаза в качестве моторного топлива приводит к снижению мощности агрегата, а необходимость его компримирования для передвижных машин приводит к нецелесообразности использования этого способа утилизации. Производство электроэнергии с параллельным получением тепловой энергии в когенерационных установках, для которых топливом служит биогаз, позволяет предприятию быть независимым от источников тепло- и электроснабжения. Перспективным, но недостаточно исследованным направлением, является использование биогаза в качестве источника тепловой энергии для сушки остатка анаэробной ферментации сельскохозяйственных БГУ. Процесс сжигания биогаза в установках термической сушки не требует глубокой очистки и позволяет эффективно утилизировать полученную теплоту. Вместе с тем реализация полученного удобрения позволит существенно сократить срок окупаемости биогазового комплекса и привлечет дополнительные средства в бюджет хозяйства. Биогазом называется метансодержащий газ, который образуется при анаэробном разложении органической биомассы. Состав и количество биогаза не являются постоянными и зависят от вида перерабатываемого субстрата и от технологии его производства. Для выделения определенного количества газа из различных органических материалов требуется специфическая для каждого из них продолжительность процесса брожения, причем выход газа в единицу времени сначала резко увеличивается, а затем по достижении максимума постепенно уменьшается (рис. 1.4.). Выход газа в расчете на 1 кг сухого органического вещества при температуре брожения 30 С [8]: а - трава; б - солома; в - экскременты крупного рогатого скота Для увеличения эффективности работы биогазовых установок необходима грамотная организация процесса ферментации, позволяющая получить наибольшее количество биогаза за меньшее время при сохранении или увеличении калорийности газа. Уменьшения срока сбраживания можно добиться повышением температуры в биореакторе до 54 С (термофильный режим). В этом случае время ферментации протекает быстрее, чем в мезофильном режиме, при этом происходит снижение доли СН4 в общем объеме выделяющихся газов (рис. 1.5). Микробиологическая активность почти прекращается, если температура падает примерно до 15. К перепадам температуры, в особенности к ее внезапным понижениям, микроорганизмы весьма чувствительны и реагируют на это снижением метаболической активности и способности к воспроизведению.
Значительное влияние на метанообразование оказывает щелочность, уровень рН, содержание летучих кислот. В качестве оптимальных значений могут быть названы: щелочность 1500-5000 мг СаСОз на 1 л субстрата; рН 6,5-7,5; содержание летучих кислот 600-1500 мг на 1 л субстрата.
Концентрация метана в биогазе в значительной мере определяется соотношением углерода и азота. Наиболее благоприятные условия соответствуют значениям C/N=10-16.
Предпосылкой высокой интенсивности реакции служит беспрепятственный обмен веществ на граничных поверхностях фаз, который должен поддерживаться непрерывным обновлением этих поверхностей благодаря перемешиванию субстрата. Поэтому для интенсификации метанообразования в конструкциях биореакторов необходимо предусматривать перемешивающие устройства. Помимо этого объем биореактора должен быть заполнен не полностью, для возможности скопления биогаза в верхней части резервуара.
В последнее время в зарубежную практику внедряются технологии так называемого сухого сбраживания (коферментация) смеси отходов сельского хозяйства растительного и животного происхождения, что позволяет значительно увеличить выход биогаза. Использование жиросодержащих стоков увеличивает выход биогаза до 800 м /т, что более чем в 30 раз превышает этот показатель для свиного навоза. Выход биогаза из субстрата увеличивается при добавлении в навоз отходов растениеводства с высоким содержанием лигнина и лигниноцеллюлозы.
Экспериментальные исследования процесса сушки инфракрасным излучением сброженного субстрата при использовании биогаза в качестве топлива
Газогорелочное устройство (ГГУ), установленное в топочной камере установки термической сушки с псевдоожиженным слоем, должно обеспечивать не только требуемый тепловой режим и чистоту сжигания биогаза, но и хорошее предварительное смешение газа с воздухом, а также стабильность горения факела в восходящем потоке сушильного агента, так как весь рабочий объем сушилки находится под избыточным давлением вследствие подачи воздуха вентилятором для организации псевдоожиженного слоя.
Исходя из этих условий, необходимо выбрать тип и место установки газогорелочного устройства для сжигания биогаза.
Диффузионные горелки, применяемые для сжигания преимущественно искусственных газов (сланцевый, коксовый, биогаз), рассчитаны на небольшие расходы газа низкого или среднего давления. Наряду с достоинствами этих горелок (простотой конструкции, удобством и безопасностью эксплуатации, высокой устойчивостью пламени без проскока и отрыва, высокой степенью черноты пламени, широким диапазоном регулирования тепловой мощности), они характеризуются повышенным по сравнению с другими видами горелок коэффициентом избытка воздуха, ухудшением условий догорания газа и выделением при сжигании углеводородных газов продуктов неполного сгорания.
Таким образом, диффузионная горелка не обеспечит необходимого теплового режима и устойчивой работы вследствие возможности срыва пламени при подаче воздуха со скоростями более 5 м/с, необходимого для формирования псевдоожиженного слоя обрабатываемого материала. При этом ежи-гание газов с теплотой сгорания менее 30 МДж/м (таких как биогаз) возможно только при среднем давлении газа и наличии устойчивого разрежения в топке не ниже 20 Па [33]. Инжекционные горелки обеспечивают хорошее смешение газа с воздухом, но их применение не представляется возможным, так как строгое соотношение газа и воздуха в смеси, близкой к стехиометрическому составу, образующейся в инжекционных горелках, возможно только при атмосферном давлении в топке. При наличии разрежения или избыточного давления в топке происходит разрегулировка в подаче инжектируемого воздуха [66].
Использование инжекционных горелок возможно только в выносных топках, изолированных от сушилки, при передаче теплоты от уходящих топочных газов через промежуточный теплообменник. Это позволит исключить влияние избыточного давления, создаваемого в корпусе сушилки, на процесс сжигания биогаза.
Достоинствами горелок с принудительной подачей воздуха является стабильная работа практически при любом противодавлении в камере сгорания, компактные размеры, возможность использовать теплоту предварительно подогретого воздуха, подаваемого для горения, простота регулирования соотношения расходов газа и воздуха для поддержания заданного коэффициента избытка воздуха, меньшая удельная металлоемкость по сравнению с инжекционными горелками, обладание большим диапазоном регулирования. К недостаткам рассматриваемых горелок относятся значительные затраты электроэнергии на дутьевые вентиляторы, усложнение инженерных коммуникаций теплоагрегата из-за наличия воздуховодов, устройств регулирования соотношения газ - воздух и клапанов, отсекающих подачу газа к горелкам при остановке вентилятора.
Горелки инфракрасного излучения могут использоваться в сушилках с тонким слоем обрабатываемого материала и при малых скоростях сушильного агента. Преимуществом этих горелок является передача практически всей теплоты лучистым теплообменом, что позволяет обойтись без промежуточного теплоносителя. К недостаткам можно отнести небольшой диапазон регулирования, малую надежность при работе в условиях вибрации, чувстви тельность к перепадам давления газа. При использовании биогаза в качестве топлива возникает необходимость изменения конструкции газовой горелки, так как природный газ и биогаз не являются взаимозаменяемыми. Чаще всего для удовлетворительной работы инфракрасной горелки достаточно заменить сопло перед смесителем [63].
На основе анализа всех достоинств и недостатков различных типов ГГУ, можно сделать вывод, что для установки термической сушки сброженного субстрата с псевдоожиженным слоем может подойти газогорелочное устройство с принудительной подачей воздуха или инжекционная горелка при ее установке в выносной топке. Использование газовых горелок инфракрасного излучения возможно только в сушилках с ленточным транспортером, где обработка материала ведется в тонком слое, при этом рабочая камера должна находиться под разрежением.
Экспериментальные исследования методов обеспечения устойчивого сжигания биогаза в газогорелочных устройствах установок термической сушки сброженного субстрата
Одной из важнейших характеристик газогорелочного устройства является устойчивость горения. При сжигании газовоздушных смесей часто происходит нарушение устойчивой работы за счет отрыва пламени от устья горелки, либо его проскока в смесительную часть.
На отрыв и проскок пламени влияют такие факторы, как состав газа и газовоздушной смеси, площадь выходного сечения горелки, режим истечения смеси и конструктивные особенности горелок.
Для стабилизации пламени горелок, выдающих осесимметричные газовоздушные струи, широко применяются огнеупорные цилиндрические туннели с внезапным расширением их сечения, в которых происходит воспламенение и горение смеси. Стабилизирующее действие такого туннеля основано на периферийной рециркуляции части раскаленных продуктов горения, возникающей за счет создаваемого струей разрежения. Устройство туннеля в установке термической сушки нецелесообразно, так как конструкция сушилки не предусматривает ее футеровку огнеупорным материалом, а отдельный стабилизирующий туннель будет разрушаться за счет вибрации при работе.
Более приемлемый способ стабилизации пламени - тело плохо обтекаемой формы, размещаемое в потоке газовоздушной смеси на выходе ее из огневого канала горелки. Воспламенение смеси при этом происходит на периферии стабилизатора, за которым возникает частичная рециркуляция раскаленных газов, поджигающих горючую смесь изнутри. Изготовление такого стабилизатора не сопряжено с большими трудностями и не требует специального оборудования, что актуально для хозяйств, удаленных от промышленных центров.
Наряду с телом плохо обтекаемой формы можно использовать стабилизаторы горения, образующие вспомогательное кольцевое пламя. Стабилизирующее действие этого устройства основано на предотвращении разбавления основного потока в корне факела избыточным воздухом, сужающим пределы его устойчивости, а также на подогреве и поджигании кольцевым пламенем основного потока по всей его периферии. Изготовление этого стабилизатора более трудоемко, требует практического опыта эксплуатации таких стабилизаторов и некоторых математических расчетов.
Обобщив данные по методам стабилизации пламени, можно предложить для использования в установке термической сушки стабилизаторы в виде тела плохо обтекаемой формы.
Исходя из вышеизложенного, была проведена серия опытов по изучению устойчивости работы газогорелочного устройства на биогазе (СН4 - 60 % об., СОг - 40 % об.). Для эксперимента использовалось газогоре-лочное устройство с центральной подачей газа и тангенциальным подводом воздуха. Диаметр выходного патрубка - 42 мм. По эмпирическим формулам, приведенным в [38, 116], определены теоретические пределы устойчивой работы горелки (табл. 4.4) и построены зависимости (рис. 4.5.). На кривые нанесены экспериментальные точки отрыва и проскока пламени на газогоре-лочном устройстве без установки стабилизирующего устройства. Область устойчивой работы горелки с принудительной подачей воздуха, или диапазон ее регулирования, находится между кривыми проскока и отрыва пламени.
Как показывают кривые, при GF 1,0 горелка может работать без стабилизирующих устройств только в узком диапазоне скоростей - от 0,6 до 0,3 м/с. Увеличение коэффициента избытка воздуха сужает диапазон устойчивой работы горелки, так как снижается значение скорости, при которой наступает отрыв пламени.
Максимальное значение скорости при проскоке наблюдается при а= 1,0. Это хорошо согласуется с теорией, так как скорость, вызывающая проскок пламени, максимальна при значении а, близком к стехиометрическому. При
Условия эксплуатации газогорелочного устройства и узкий диапазон регулирования требуют надежных методов стабилизации горения, при этом они не должны усложнять конструкцию установки термической сушки, быть просты в изготовлении и надежны в использовании. Одним из вариантов может служить тело плохо обтекаемой формы, установленное непосредственно перед устьем горелки и обеспечивающее циркуляцию раскаленных дымовых газов в корне факела. Наряду с этим использование вихревых газогорелоч-ных устройств, выдающих закрученный газовоздушный поток, позволяет повысить эффективность стабилизаторов горения. Сжигание биогаза в закрученных факелах приводит к интенсивному перемешиванию горячих продуктов сгорания с холодной смесью, что расширяет диапазон регулирования горелки.
Установка стабилизатора горения позволила увеличить скорость отрыва пламени при GF1,0 ДО 3,5 м/с, при условии работы горелки в восходящем потоке воздуха, движущегося со скоростью 2,2 м/с (рис. 4.6.). Сгорание био 85 газа происходит в коротком «жестком», мало светящемся факеле с минимальным химическим недожогом.
Рекомендации по определению оптимальных конструк-тивных параметров, установки термической сушки остатка анаэробной ферментации с псевдоожиженным слоем
Обогрев биореактора осуществляется посредством размещения по периметру стенок теплообменников, которые представляют собой систему труб в виде спирали, или с помощью трубчатого теплообменника с регистром из вертикальных труб, расположенных вдоль боковых стенок. В качестве теплоносителя используется горячая вода. Температура воды на входе в теплообменник должна быть не более 60 С в мезофильном режиме и 70 С в термофильном режиме. Низкая температура теплоносителя принята в связи с тем, что метанобразующие микроорганизмы очень чувствительны к резкому повышению температур, и вблизи труб теплообменника при более высоких температурах их деятельность прекращается. Кроме того, при повышенных температурах происходит налипание твердых частичек субстрата на тепло-обменную поверхность, что ухудшает процесс теплообмена.
Рабочий объем биореактора рассчитывается исходя из количества навоза, накопленного на предприятии за время процесса полного сбраживания (от 10 до 25 суток). Когда биореактор полностью заполнен, загрузка осуществляется ежедневно в количестве, равном накопленному за день объему навоза, при этом такое же количество подлежит выгрузке, с учетом уменьшения объема за счет выхода биогаза.
Существенную экономию теплоты дает теплообменник-утилизатор, который позволяет увеличить КПД биогазовой установки за счет использо вания низкопотенциальной теплоты, уходящей со сброженным субстратом. Теплообменник-утилизатор может иметь различные конструкции, но наибо лее приемлемой являться устройство, представляющее собой «сосуд в сосу де» цилиндрической формы. Во внутренний сосуд подается свежий навоз, требующий нагрева, а в межстеночное пространство поступает сброженный субстрат с температурой 35-55 С в зависимости от режима сбраживания. Утилизация тепла сброженного субстрата позволяет нагревать поступающий навоз на 7-9 С выше первоначальной температуры [42,43]. і Рабочий объем теплообменника-утилизатора по нагреваемой и греющей секции должен быть в два раза больше, чем объем подаваемого на сбраживание навоза, потому что из биореактора должно быть удалено такое же количество материала. Отстойник сброженного субстрата необходим для частичного отделения воды от обработанного шлама. Он представляет собой резервуар, в котором под действием гравитационных сил происходит расслоение субстрата. Затем из верхней части резервуара жидкость поступает на очистные сооружения и сбрасывается в канализацию, а из нижней части производится отбор гомогенной массы влажностью около 60 % для сушки в установке термической сушки. Его объем должен быть равен суточному объему материала, выгружаемого из биореактора. Отличительной особенностью предлагаемой технологии от известных аналогов является установка термической сушки, обеспечивающая круглогодичную утилизацию побочных продуктов анаэробной ферментации - сброженный субстрат и биогаз. Для придания остатку анаэробной ферментации товарного вида осуществляется его грануляция с последующей сушкой в установке термической сушки, которая представляет собой сушилку, где для интенсификации процесса массопереноса организуется псевдоожижение слоя обрабатываемого материала. Источником тепла является теплоноситель, состоящий из смеси воздуха и уходящих продуктов сгорания, полученных в процессе сжигания биогаза в дутьевом газогорелочном устройстве. Скорость газовоздушной смеси должна быть равной скорости псевдоожижения частиц гранулируемого материала. Так, например, при диаметре г гранул d=15 мм (форма материала - цилиндр с соотношением линейных размеров L/d=2) скорость псевдоожижения в среднем составляет 4 м/с. Температура теплоносителя не должна превышать 150 С, так как при большей температуре происходит разложение аммонийного азота, что сни жает ценность удобрения [4,14]. г Побудителем движения биогаза по газопроводам и устройствам очистки является компрессор. Его рабочие параметры должны обеспечивать необходимый расход биогаза и давление биогаза в газгольдере.
Неоспоримым преимуществом предложенной схемы является малый объем газгольдера, так как большая часть биогаза сжигается в установке термической сушки. В данном случае газгольдер необходим для выравнивания суточной неравномерности потребления газа. Можно использовать газгольдеры как низкого, так и высокого давления. Более подробно основные типы газгольдеров рассмотрены в [8, 59, 61].
Фильтры-поглотители сероводорода применяются для очистки биогаза от сероводорода, так как при сжигании сернистого газа металлические конструкции газопотребляющего агрегата подвергаются химической коррозии. Применяющиеся в промышленности способы очистки газа делятся на две основные группы: адсорбционный метод, когда используются поглотители -адсорбенты в твёрдом состоянии, и абсорбционный метод, когда применяются поглотители в виде жидкого раствора.
Адсорбционным способом можно практически полностью (до 98-100%) очистить газ от сероводорода, но он требует громоздкой аппаратуры; изготовление и эксплуатация фильтров-поглотителей обходится дорого, причём они пригодны для очистки газов лишь при низких давлениях, с содержанием сероводорода не более 0,5 %.
Абсорбционным способом можно удалить от 80 до 90% сероводорода. Установки для этого способа очистки более компактны, дешевле в изготовлении и эксплуатации. Процесс очистки может быть автоматизирован и требует меньшей затраты труда.
