Розробка принципової схеми і конструкції комбінованої біогазової установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

					Дипломний проект
Зм.	Арк.	№ Докум.	Підпис	Дата
Розробив	Дахно О.П.			Розробка принципової схеми і конструкції комбінованої біогазової установки	Літера	Аркуш	Листів
Перевірив	Романюк в.І.				н	1
Керівник	Романюк В.І.				НУВГП, МЕФ, ПТМ-51
Рецензент	Сухарєв Е.О.
Затв.

Розробка принципової схеми і конструкції комбінованої біогазової установки

Біогаз - енергоносій, який є сумішшю метану (60 - 70%), діоксиду вуглецю (30 - 40%), невеликої кількості сірководню, водню, аміаку та оксиду азоту(5%). Склад біогазу може змінюватись в залежності від сировини (біомаси), мікроорганізмів, що беруть участь у процесі, добавок та фізичних факторів.

Основний компонент біогазу - метан - виникає в результаті анаеробних ферментаційних реакцій метаноутворюючих мікроорганізмів які перетворюють енергію хімічних зв'язків біомаси в енергію хімічних зв'язків метану.

Біохімічний процес перетворення енергії біомаси без доступу кисню в енергію метану називається метановим бродінням або біометаногенезом.

Відкритий біометаногенез у 1776 р. Вольтом, котрий встановив наявність метану у болотному газі (який ще називають клар-газом, паливом, отриманим з відходів; блукаючими вогниками, гобар-газом). При горінні біогаз дає полум'я синього кольору, не має запаху, горіння відбувається без диму.

Середня теплотворна здатність 1м³ біогазу 21 ? 29МДж в залежності від вмісту СО₂, а традиційних енергоносіїв така:

1 м³ природного газу 34 МДж;

1 кг рідкого палива 42 МДж.

За теплотворною здатністю 1м³ біогазу еквівалентний:

- 4кВт-год електроенергії;

- 0.62л гасу;

- 1.5кг вугілля;

- 3.5кг дров;

- 0.43кг бутану.

Біогаз може бути використаний для отримання теплової енергії, електроенергії, а також як моторне паливо.

Коефіцієнт трансформації біомаси у метан досягає 90%. Найбільш рентабельним є використання біогазу для отримання електроенергії (загальний ККД з врахуванням тепла, яке утворюється при виробництві енергії, становить 80 - 85%). Безпосередньо в електричну перетворюється ?33% енергії метану.

Біогаз також можна використовувати як пальне для двигунів (його октанове число 110 - 115, нижня межа займання 645°С), але при цьому біогаз повинен бути стисненим до 200 - 250атм.

1. Сировина для отримання біогазу

Сировиною для біогазу є біомаса - органічні речовини, які є відходами рослинного чи тваринного походження. При використанні біомаси з великим вмістом клітковини в біогазі утворюються рівні кількості метану і діоксиду вуглецю. При збільшенні в біомасі азотовмісних речовин та жиру концентрація метану збільшується, а діоксиду вуглецю зменшується. Орієнтовний склад біомаси різного походження представлений в таблицях 1 та 2.

Таблиця 1 Хімічний склад відходів рослинництва, % щодо сухої речовини

Складова	Солома	Кукурудзяне стебло	Бурякова гичка	Картопляне бадилля
	житня	пшенична
Органічна речовина	95.4	91.4	91.7	78.5	78.9
Сира клітковина	47.5	45.5	33.3	11.5	23.8
Сирий жир	1.5	1.6	1.7	1.5	3.2
Сирий протеїн	2.9	2.9	7.5	12.5	14.6
Лігнін	15-20	15-20	5.5	-	-
Відношення C:N	80-150	90-165	30-65	18	17
Азот	0.46	0.46	1.20	2.00	2.34
Фосфор	0.12	0.09	0.11	0.26	0.20
Калій	0.88	0.79	2.32	3.57	1.67
Кальцій	0.19	0.14	0.19	1.40	2.57
Магній	0.06	0.07	0.30	0.60	0.83

Біомаса належить до відновлюваних джерел енергії. Річне світове виробництво біомаси еквівалентне 26.65 ТВт - год. (тера = 10¹² ) енергії. Це майже у 3 рази більше від кількості електроенергії, що виробляється за такий же період всіма генераторами у світі.

Таблиця 2 Хімічний склад гною с/г тварин та птиць, % на суху речовину

Складова	Велика рогата худоба	Свині	Кури
	Корови	Тварини на відгодівлі
Органічна речовина	77 85	77-85	77-84	76-77
Сира клітковина	27.6 -50.3	-	19.5-21.4	13.0-17.8
Сирий жир	2.9-4.3	-	3.5-4.0	2.4-5.0
Сирий протеїн	9.3-20.7	-	16.4-21.5	20.5-42.1
Лігнін	16-30	16-30	-	9.6-14.3
Відношення C:N	9.5-15	9-15	9-15	9-15
Азот	1.9-6.5	2.3-4.0	4.0-10.3	2.3-5.7
Фосфор	0.2-0.7	0.4-1.1	1.9-2.5	1.0-2.7
Калій	2.4	1.0-2.0	1.4-3.1	1.0-2.9
Кальцій	2.3-4.9	0.6-1.4	-	5.6-11.6
Магній	-	0.5-0.6	-	0.9-11

Таблиця 3 Хімічний склад біогазу

№/пп	Речовина	Вміст,%	Хімічна формула
1	Метан	40 - 75	СН4
2	Вуглекислий газ	25 - 55	СО2
3	Водяна пара	1 - 10	Н2О
4	Азот	< 5	N2
5	Кисень	< 2	О2
6	Водень	< 1	Н2
7	Сірководень	< 2	Н2S
8	Аміак	< 1	NН3

Отже, основними компонентами біогазу є горючий метан та негорючий вуглекислий газ. для збільшення теплотворної здатності біогазу його потрібно очищати від вуглекислого газу.

2. Біохімічні та мікробіологічні характеристики процесу біометаногенезу

Біометаногенез здійснюється за три етапи:

розчинення і гідроліз органічних сполук;

ацетогенез (утворення оцтової кислоти);

метаногенез.

Відповідно до цих етапів біометаногенезу у процесі задіяні три групи мікроорганізмів (див. табл. 4).

Таблиця 4 Фази біометаногенезу

Групи бактерій, які беруть участь у процесі	Вихідні речовини	Продукти
1. Біогідроліз полімерів та ацидогеноз
Гідролітичні ацетоногени	Комплекс органічних речовин	Вищі жирні кислоти (масляна, пропіонова, молочна)
2. Ацетогенез (отримання оцтової кислоти) та дегідрогенізація
Гідрогенпродукуючі бактерії	Вищі жирні кислоти	H2, CO2, CH3COOH (водень, вуглекислий газ, оцтова кислота)
3. Метаногенез
Метаноутворюючі бактерії	H2, CO2, CH3COOH	CH4, CO2 (метан, вуглекислий газ)

Зауваження: ацидогенез - отримання вищих жирних кислот; ацетогенез - отримання оцтової кислоти.

На першому етапі процесу задіюються мікроорганізми, що володіють целюлозолітичною, протеолітичною, ліполітичною, сульфовідновлюючою, денітрифікуючою та іншими видами активності. Склад домінуючої мікрофлори цієї фази залежить від складу мікрофлори вхідної сировини, а також від хімічної природи проміжних продуктів розпаду органічних речовин.

Кількість аеробних та факультативно анаеробних мікроорганізмів в цій фазі досягає 10⁶ кл/мл, а вміст облігатних анаеробів на 2-3 порядки вищий. Серед целюлозоруйнуючих бактерій виявлені штами Bacterioides ruminicola, Butyrivibrio fibriosolvens (руйнують целюлозу). Серед протеолітичних бактерій виділяються штами роду Clastridium, Peptococcus anaerobis, Bacterioides, Eubacterium, Bifidobacterium, їх загальна кількість досягає 10⁵ кл/мл.

У цій фазі біля 76% органічних речовин перетворюється у вищі жирні кислоти, до 20% - в ацетат і 4% - у водень. Цю фазу можна умовно розділити на дві частини: гідролізу і ацидогенозу (кислотоутворення).

На другому етапі процесу задіюються ацетогенні і гідрогенпродукуючі бактерії. Вони перетворюють пропіонат в ацетат, СО₂ та Н₂, якщо в середовищі одночасно присутні водень-споживаючі бактерії, оскільки водень є інгібітором оцтовокислих бактерій. В 1967 р. Брайакт та ін. встановили, що оцтовокислі та метаноутворюючі мікроорганізми - симбіонти, їх раніше вважали одним мікробом, який називали Methanobacillus omelianskii.

Водень утворюється при окисленні NАДН₂ з утворенням NАД. Вміст Н₂ в середовищі залежить від ацетогенних бактерій та воднеспоживаючих метаногенів. Метаногенна система буде працювати ефективно тільки при низькому парціальному тиску водню. Тоді вуглецеві сполуки конвертуються в ацетат, СО₂ та Н₂ і не будуть накопичуватись жирні кислоти. При завантаженні біореактора субстратом, що швидко розкладається, концентрація Н₂ може збільшуватись і в середовищі будуть накопичуватись пропіонова, масляна та оцтова кислоти.

Третій етап - метаногенний. В ньому задіяні метаноутворюючі бактерії. З біохімічної точки зору метанове бродіння - це анаеробне дихання, в результаті якого електрони від органічних речовин переносяться до вуглекислого газу, котрий потім відновлюється до метану. Окрім різних органічних субстратів (таких, як оцтова кислота), донором електронів для метанобактерій слугує водень, котрий продукується декількома типами анаеробних бактерій. В умовах строгого анаеробіозу метан можна отримати з ароматичних сполук. У цьому процесі беруть участь декілька видів мікроорганізмів, відповідальних за різні стадії деградації ароматичних кілець до ацетату, який є одним із субстратів для метанобактерій. Його дегідрування дає електрони, які потрібні для відновлення двоокису вуглецю до метану, див. нижче схему основних реакцій метаногенезу.

4С₆Н₅СООН + 24Н₂О > 12СН₃СООН + 4НСООН +8Н₂

(бензоат)

12СН₃СООН >12СН₄ + 12СО₂

(ацетат)

4НСООН > 4СО₂ + 4Н₂

(форміат)

3СО₂ + 12Н₂ > 3СН₄ + 6Н₂О

4С₆Н₅СООН + 18Н₂О > 15СН₄ + 13СО₂

3. Характеристика метаноутворюючих бактерій

Всі метаноутворюючі бактерії - строгі анаероби. Деякі з них мезофіли, інші термофіли, які розмножуються при температурі 60 - 80°С. (М. thermoautotrophicum). Оптимальне значення рН для різних видів 6,5 - 8,0. Деякі штами спроможні рости у середовищі з 5 ? 7% та більше NaCl.

Як джерело сірки бактерії найчастіше використовують сульфід, азоту - амоній. Деякі види потребують наявності дріжджового автолізату, або суміші вітамінів. Для росту деяких необхідний ацетат або інші органічні речовини.

Багато метаногенів можуть рости в автотрофних умовах при наявності єдиного джерела вуглецю - вуглекислоти. Як субстрат більшість метаногенів споживають форміат, який трансформується до метану, див. рис. 2.1.

При переробці різних комунальних та промислових стоків харчового виробництва основним субстратом для метаногенів є ацетат, який перетворюється ними у метан (рис. 2.1). До цієї групи метаногенів належать Methanosarcina barceu; Metanococcus mazei; Methanotrix soengenii. При конверсії ацетату у метан з їх допомогою вільна енергія субстрату змінюється мало (?G₀^' = -32 кДж), швидкість їх росту низька і генерація метану триває не менше 10 діб. Деякі метаногени конвертують у метан, метанол та метиламін, див. нижче.

4/3•СН₃ОН > СН₄ + 1/2•СО₂ + 2/3•Н₂О

4/3•СН₃NН₂ - 2/3•Н₂О > СН₄ + 1/3•СО₂,

або інша схема: 4СН₃ОН > 3СН₄ + СО₂ + 2Н₂О;

4СН₃NН₂ + 2Н₂О > 3СН₄ + СО₂ + 4NН₃;

СН₃СООН > СН₄ + СО_2.

Схема утворення метану з СО₂ та інших сполук показана на рис.2.2. Він може також утворюватися з СО₂ та Н₂, які генеруються в результаті діяльності ацетогенних бактерій. Схема відновлення СО₂ до СН₄ показана на рис. 1.

Отже, метаноутворюючі бактерії можуть використовувати різні субстрати для конвертації у метан: молекулярний водень та вуглець, оксид вуглецю, мурашину кислоту, метанол, метиламін, диметиламін, триметиламін, ацетат.



біогаз установка метан

Синтез метану протікає у мембранах клітин бактерій та спряжений з генерацією трансмембранного потенціалу, енергія якого трансформується у АТФ. Таким чином, здійснюється анаеробне дихання де акцептором електронів виступає СО₂. Вихід енергії на моль метану у метаногенів не перевищує двох молів АТФ. Тому для свого росту метаноутворюючі бактерії повинні синтезувати значну кількість метану. Зі 100% метаболізованих сполук вуглецю вони трансформують у клітинний матеріал лише 5 - 10%, інше конвертують у метан.

4. Технологія отримання метану

Технологічно метанове бродіння поділяють на два етапи: дозрівання метанового біоценозу та ферментацію.

Впродовж першого етапу розвиваються бактерії, які беруть участь у анаеробному розкладі початкових органічних речовин та продуктів їх розпаду. Внаслідок діяльності цих мікроорганізмів утворюються оптимальні умови для активного біосинтезу метану.

Швидкість метаногенезу у звичайних умовах мала. Для інтенсифікації процесу метаногенезу та отримання біогазу з великим вмістом метану необхідна оптимізація умов, при яких швидкість ферментативних реакцій була б максимальною. Значною мірою метаногенез залежить від хімічного складу середовища та фізичних факторів.

Залежність біометаногенезу від в'язкості субстрату, концентрації та розмірів твердих фракцій

Сприятливим для життєдіяльності метаноутворюючих мікроорганізмів є середовище, в якому концентрація твердих речовин становить 8-12 масових відсотків. При такій концентрації середовище може вільно перемішуватись.

При вищій концентрації твердих речовин підвищується в'язкість субстрату і погіршуються умови для протікання ферментативних реакцій, що призводить до зниження виходу біогазу. Тому необхідно контролювати розміри твердих часток, з яких складається біомаса і який не повинен перевищувати 30 мм (В. Баадер, 1982). У гіршому випадку початкова біомаса мусить бути подрібнена. У тих випадках, коли використовуються відходи домашнього господарства або рідкий гній, співвідношення між твердими компонентами і водою повинно становити 1:1(100 кг відходів на 100 кг води), що приблизно буде відповідати концентрації твердих речовин 8-12% за вагою.

Залежність біометаногенезу від співвідношення хімічних речовин у субстраті

Біомаса метаноутворюючих бактерій складається з 54% водню, 20% кисню, 12% азоту, 2% фосфору і 1% сірки. Крім того, в біомасі містяться калій, натрій, кальцій, магній і ряд мікроелементів, найважливіші з яких кобальт, молібден та нікель. Для формування клітинної маси необхідні всі ці речовини. Співвідношення ХПК : N : Р має бути 700 : 5 : 1, співвідношення С : N - 20 : 1. Не можна допускати надлишку азоту. Рівень токсичності іонів аміаку для метаноутворюючих бактерій 1500 - 2000 мг/л; ціаніду (CN^-) - 0,5 - 1,0 мг/л; калію, натрію і кальцію - 3000 - 6000 мг/л. Для підтримки співвідношення C : N на оптимальному рівні у виробничих умовах змішують гній з високим вмістом водню з відходами, у яких великий вміст азоту.

Інгібування метаногенезу викликають сульфіти, які при метановому бродінні сульфатвідновлюючі бактерії відновлюють до H₂S. Метаногенез інгібується при концентрації сульфітів 100 - 159 мг/л.

При метаногенезі на 50% скорочується вміст розчинних солей важких металів при таких концентраціях іонів(мг/л): залізо - 1- 10; цинк - 10^-4; кадмій - 10^-7; мідь - 10^-12 і 10^-16 (для двовалентної форми).

Процес метаногенезу сповільнюється у присутності різних детергентів (при їх концентрації біля 15 мг/л), антибіотиків та інших речовин.

Вплив Еh та рН на біометаногенез

Метаногени строгі анаероби, і тому кисень для них є отрутою. Величина окисно-відновлювального потенціалу (Eh), при якому гальмується ріст метаногенів, рівна 330 мВ; оптимальна - 400 мВ. Короткочасна аерація метантенка, до речі, не призводить до загибелі метаногенів, оскільки супровідна факультативно аеробна мікрофлора утилізує кисень і через 1,5 - 2 доби метаногенез відновлюється. Але цього не можна допускати, тому що технологічний процес метаногенезу все ж призупиняється.

Суттєвий вплив на метаногенез має кислотність субстрату. Інтенсивне утворення метану відбувається при рН 6,8 - 7,4; при рН нижчих від 6,8 і вищих від 7,4 метаболічна активність бактерій знижується. Зниження величини рН середовища („прокисання”) зв'язане з порушеннями швидкості утворення летючих жирних кислот (мурашиної, оцтової, особливо пропіонової, а також масляної) та дальшими їх перетвореннями, що закінчуються утворенням метану. Подібні дефекти виникають переважно завдяки збільшенню подачі в метантенк вуглеводнів, що легко ферментують, а також порушенню співвідношення вуглецю та азоту у субстраті.

Кількість газу, що отримується з одного моля кислоти в процесі бродіння, можна визначити за рівнянням Басвела:

,

n, а, b - число атомів вуглецю у кислоті при 30^°С та нормальному тиску.

Зі збільшенням довжини вуглеводного ланцюга кислоти збільшується кількість отриманого газу. З одного грама мурашиної кислоти отримується 540 мл газу; з одного граму оцтової - 823 мл, з одного грама масляної - 1055 мл, з одного грама капронової - 1224 мл.

За зростанням швидкості бродіння органічні кислоти упорядковуються: пропіонова, капронова, валеріанова, мурашина, масляна, оцтова. Найбільш інтенсивно бродить оцтова кислота.

Висока швидкість утворення біогазу досягається при концентрації летючих карбонових кислот в межах 50 - 500 мг/л. Щоб не допускати збільшення кількості летючих кислот вище граничного рівня і одночасного пониження рН, додають вапно.

Підвищення рН середовища ( 8,5) зв'язане або з високою концентрацією азотовмісних органічних речовин у субстраті і утворення з них великої кількості амонію, або з наявністю в середовищі значних концентрацій лужноземельних металів. Зазвичай при таких порушеннях припиняють завантаження у ферментер нових порцій сировини. Як наслідок, надлишок утворених кислот поступово конвертується у метан, рН середовища підвищується до оптимальних значень і процес продовжується. У деяких випадках зменшують об'єм завантаження реактора.

Залежність біометаногенезу від температури

Процес метаногенезу протікає у широкому діапазоні температур:

- 0 - 20°С - психрофільний режим;

- 20 - 40°С - мезофільний;

- 40 - 60°С - термофільний температурний режими.

Температура - один із суттєвих параметрів, які впливають на метаболічну активність та репродуктивну здатність мікроорганізмів. Перевагу здебільшого надають мезофільному режимові, оскільки при цьому досягається економія енергії.

Метанове бродіння - процес ендотермічний, який потребує постійного підігріву для підтримки температури ферментації. Метантенки і сировина переважно підігріваються за рахунок спалювання утвореного газу. На підтримання потрібної температури ферментації витрачають від 15 - 20% (мезофільний процес) до 30 - 50% (термофільний процес) утвореного біогазу. Тому одним із важливих моментів експлуатації метантенків є їх надійна теплоізоляція.

Термофільна ферментація (при 50 - 57°С) відбувається інтенсивніше, ніж мезофільна, але процес є менш стабільним.

Кінетичні характеристики біометаногенезу

Тривалість процесу ферментації біомаси у випадку природної метаногенної мікрофлори у мезофільному режимі не менше 14 діб, а у термофільному - 8-10 діб. У більшості випадків процес метаногенезу відбувається впродовж 24 - 28 діб і більше.

Тривалість переробки гною великої рогатої худоби становить два - чотири тижні. Для рідких випорожнень зі свинарників достатньо десятиденного бродіння. Переробка посліду домашньої птиці займає біля 20 днів.

Загалом, з точки зору дезінфекції залишку від бродіння, достатньо двотижневої переробки при температурі 35°С, щоб знищити всі патогенні ентеробактерії та ентеровіруси, а також 90% популяції Ascaris Lumbricoides та Ancylostoma (найпростіші).

Процес ферментації можна прискорити, додаючи у метантенк посівний матеріал спеціально селекціонованої мікрофлори. Зі забродженого мулу метантенка станції аерації м. Києва виділяли термофільну целюлозолітичну культуру Clostridium thermocellum шт. 5 СТ та термофільну метаногенну культуру Methanosarcina sp. шт. 13 М. Добавка цих культур підвищувала ефективність мікробної конверсії сільськогосподарських відходів у біогаз.

Шляхом використання посівного матеріалу з мулу та осаду від крафт-процесу досягалося протікання метаногенезу за 8-24 дні.

Загалом, визначити оптимальні умови культивації мікроорганізмів складно. Для практичного використання зручною є універсальна формула, запропонована Ченом та Хашімото [20] за результатами аналізу великої кількості емпіричних даних, що дозволяє розрахувати вихід біогазу (м3СН4 за добу з 1м3 реактора) в залежності від типу біомаси та характеристик реактора:

,

VS - добовий вихід метану; шm - граничний вихід метану за добу з 1кг сухої органічної речовини (СОР), м3СН4/добу?кгСОР; CO - концентрація ОР на виході, кг/м3; Тж - час перебування субстрату в реакторі, діб; К - кінетичний коефіцієнт; Rm - максимальна швидкість росту мікроорганізмів, доба-1.

Спираючись на експериментальний досвід в роботах українського дослідника Маслича В.К., були запропоновані наступні формули для обчислення К:

для гною великої рогатої худоби (ВРХ) К = 0.8+0.001•е 0.065;

для свинячого гною К = 0.5+0.0043•е 0.0915.

Знайдено також взаємозв'язок між Rm і температурою процесу:

Rm(t) = 0.013?t - 0.13.

У діапазоні 10° ? 60°С це рівняння дає прийнятні результати. Складніше з визначенням Vm:

для гною ВРХ: шm = 0.20 ± 0.05 м3СН4/(добу?кгОР);

для гною свиней: шm = 0.50 ± 0.05 м3СН4/(добу?кгОР);

для курячого посліду: шm = 0.70 ± 0.05 м3СН4/(добу?кгОР).

Таблиця 5. Максимальний вихід біогазу з 1 кг СОР

Сировина	Максимальний вихід біогазу з 1 кг СОР, дм3/кг.	Вміст метану, %	Qнг, МДж/м3
Трава (силос)	530	80	30.2
Картоплиння	420	60	22.6
Стебла кукурудзи	420	53	20.0
М'якоть кукурудзи	615	62	23.4
Солома пшенична	340	58	21.9
Відходи скотобійні	60…80	62	23.4
Гній КРС	200..300	60	22.6
Гній свиней	350…450	60	22.6

5. Структура та конструкції біогазових установок

Біогазова установка (БГУ), див. рис.2.3, в загальному вигляді являє собою комплект обладнання, у який включають:

- ємність для накопичування біомаси;

- ферментер або реактор (камеру для бродіння - метантенк);

- резервуар або газгольдер (газозбірник).

Размещено на http://www.allbest.ru/

					Дипломний проект
Зм.	Арк.	№ Докум.	Підпис	Дата
Розробив	Дахно О.П.			Розробка принципової схеми і конструкції комбінованої біогазової установки	Літера	Аркуш	Листів
Перевірив	Романюк в.І.				н	1
Керівник	Романюк В.І.				НУВГП, МЕФ, ПТМ-51
Рецензент	Сухарєв Е.О.
Затв.

Виробництво біогазу забезпечується анаеробною ферментацією біомаси (субстрату) рослинного чи тваринного походження або стоків різних виробництв харчової та целюлозопереробної промисловості. В БГУ також входить допоміжне обладнання: системи підігріву та перемішування, трубопроводи, насоси та газові компресори, центрифуги, контрольно - вимірювальна апаратура та засоби автоматизації.

Субстрат може подаватися до БГУ безперервно (проточна система) або через визначені проміжки часу. При цьому об'єм поступаючої та перебродженої біомас повинен бути однаковим. При такій технологічній схемі забезпечується найбільша продуктивність БГУ. Періодична або циклічна система використання реакторів, яких на установці повинно бути два або більше, передбачає поступове заповнення їх свіжим субстратом. Обов'язковим є неповне звільнення реактора від перебродженого субстрату, який відіграє роль закваски. Через декілька діб після заповнення бродильної камери починається метаногенез, інтенсивність якого після досягнення максиму знижується. Для безперебійного та рівномірного забезпечення споживача біогазом при такій схемі роботи БГУ необхідно об'єднати декілька реакторів у блок. При періодичній системі бродильні камери використовується менш ефективно, ніж при системі неперервного режиму роботи реактора. Періодичність заповнення реактора потребує будівництво сховища для біомаси. Щоб уникнути попадання повітря під час вивантаження субстрату, реактор необхідно заповнювати біогазом з допоміжних ємностей.

У найпростіших реакторах першого покоління всі процеси протікали в одній ємності без поділу на стадії або фази, бактеріальні клітини були у завислому стані і в міру розмноження видалялися разом із перебродженою масою. Важливою умовою нормального функціонування таких реакторів була необхідність підтримувати рівномірність швидкостей розмноження бактерій і подачі сировини у реактор, за умови, що концентрація органічної речовини в сировині не менша від 2%. При менших концентраціях органічної речовини густина бактеріальних клітин різко зменшується, а процес практично зупиняється.

Цей недолік усунули в реакторах другого покоління, в яких бактерії з потрібною густиною знаходяться в іммобілізованому стані. В таких реакторах можна зброджувати субстрати з низьким вмістом органічних речовин (0,5% за сухою речовиною) при високій швидкості його пропускання через реактор (такі реактори часто називають „анаеробними фільтрами”). Носієм бактерій у таких системах використовують гальку, керамічні, поліхлорвінілові, поліуретанові кільця або скловолокно.

Втілюються технології, що ґрунтуються на розділені процесу метанового бродіння на фази: кислотну та метанову. Двофазний процес здійснюється у двох реакторах, що з'єднані послідовно. Швидкість подачі сировини та об'єм реакторів розраховані так, щоб у першому протікала тільки стадія утворення кислот, значення рН середовища не повинно перевищувати 6,5. Ця бражка подається у другий реактор, в якому з великою швидкістю протікає безпосередньо утворення метану. Двофазний процес дозволяє збільшити загальну швидкість метаногенезу у два-три рази. Інколи на практиці, при використанні двофазного процесу, з метою додаткової генерації товарного біогазу процес бродіння в першому ферментері роблять при 35 - 37°С, а у другому - при 55°С. При нормальних умовах ферментації на кожну тонну збродженої речовини утворюється до 300 - 600 м³ біогазу.

Система, при котрій ферментаційна камера одночасно відіграє роль реактора та ємності для тимчасового зберігання шламу (твердий залишок після бродіння), називається акумулятивною або басейновою. Прикладів впровадження такої системи у виробництво мало.

Бродильні камери або реактори - це основні частини БГУ. Рентабельність біогазового виробництва значною мірою залежить від конструктивних особливостей бродильної камери. В діючих БГУ перевагу мають реактори овальної і циліндричної форми. В таких реакторах з найменшими затратами можна перемішувати субстрат, вивантажувати шлам, видаляти біогаз і руйнувати тверду кірку, яка наростає на субстраті і обмежує вихід біогазу. В реакторах циліндричної форми умови для перемішування субстрату гірші, ніж у реакторах овальної форми. Надаючи реактору циліндричної форми похило-горизонтальне положення, можна зручніше розмістити обладнання для перемішування та створити кращі умови для видалення шламу.

Дослідження показують, що вихід біогазу значно залежить від тиску в робочій камері і є тим більший чим при більшому розрідженні (в певних технологічних межах) здійснюється процес. Однак недоліки застосування вакууму є очевидними і першу чергу впливають на вартість установки. Також вакуум є незручним з точки зору наступного використання біогазу. Тому оптимальним для забезпечення технічно раціонального та безпечного процесу вважається підтримання тиску в метантенку 2000-4000 Па (0,02-0,04ат.).

При виготовленні реакторів використовують бетон, залізобетон, стальний лист, склопластик. Еластичні реактори виготовляють з прогумованого матеріалу або пластику, надаючи їм овальної форми. Реактори заглиблюють у ґрунт, а при розміщенні на поверхні огороджують жорсткими конструкціями.

У всіх випадках бродильна камера повинна бути абсолютно герметична, володіти теплоізоляцією та корозійною стійкістю. У бродильній камері повинна підтримуватися стала температура, для чого там встановлюють нагрівні установки. З цією метою використовують тепло видаленого з реактора шламу і підігрів, на що іде до 30% енергії біогазу. Відомо декілька технічних рішень нагрівальних приладів, які використовуються в БГУ.

Крім цього в біотенку необхідно періодично знищувати тверду кірку на поверхні субстрату. Для цього субстрат перемішують механічними і гідравлічними пристроями. З цією метою також інколи використовують отриманий біогаз, який подають у реактор компресором. Швидкість перемішування субстрату не повинна перевищувати 0,5м/с. При більших швидкостях можуть розриватися оболонки мікробних клітин і процес метаногенезу суттєво сповільнюється.

6. Оптимізація роботи БГУ

Оптимізація роботи БГУ потребує інформації про хімічний склад біомаси та про її кількість протягом дня і року, а також про динаміку температури оточення впродовж планованого часу експлуатації БГУ.

Від однієї корови масою 500 кг за добу з гноєм отримують 4,8 кг сухої органічної речовини, з якої дістають 1,0 - 2,4 м³ біогазу. Еквівалентний об'єм біогазу отримують від дев'яти свиней на відгодівлі (масою 60 кг) або від п'яти свиноматок.

Оптимізація роботи БГУ включає і визначення мети використання біогазу та шламу, котрий може використовуватись як високоякісне добриво завдяки присутності калію і фосфору та інших поживних речовин, що знаходяться у доступній для рослин формі і співвідношенні. Оскільки шлам не має неприємного запаху, його внесення у ґрунт доцільне також з екологічної точки зору. Шлам може використовуватись для виробництва цінних біологічно активних речовин, які застосовуються у медицині та сільському господарстві, в т.ч. як добавка до корму КРХ і птиці. Діоксид вуглецю, який входить до складу біогазу, можна використовувати як консервант кормів або для підвищення ефективності фотосинтезу в теплицях. Надосадкова рідина, що залишається після бродіння, не має неприємного запаху, кількість органічних речовин на 80% менша, а біологічна потреба кисню на 80% нижча, ніж до анаеробної ферментації. За санітарно-гігієнічними показниками надосадкову рідину можна зливати у каналізаційну мережу або водойми. Але для безвідходного виробництва і підвищення рентабельності БГУ, надосадкову рідину доцільно використовувати для вирощування гідробіонтів, які потім можна додавати у раціон сільськогосподарських тварин або використовувати їх біомасу для виробництва біогазу.

7. Використання біотехнології виробництва біогазу

Виробництво біогазу можна розглядати з екологічної точки зору як безвідходний процес, що дозволяє переробляти тверді і рідкі органічні відходи.

Анаеробні системи очистки стоків

Для очистки стічних вод, при утилізації відходів тваринних ферм, виробництві кормового вітаміну В₁₂, стоків пивоварного виробництва, міських стоків та у інших випадках, використовують метанове бродіння, див. табл. 4.

Для анаеробного бродіння стоків застосовують біореактор великих об'ємів, виготовлених з металу або залізобетону у вигляді вертикальних або горизонтальних циліндрів чи прямокутних резервуарів. У різних країнах використовується багато великих біогазових установок для очистки стоків промислових підприємств та відходів ферм.

Таблиця 4 Види біореакторів та біотехнологічних систем.

Біореактор	Принцип дії та конструкція	Схема
Традиційний біореактор для метанового бродіння	Герметичні металеві або залізобетонні ємності у вигляді вертикальних циліндрів. Повільне пере- мішування газом або механічним способом. Повна заміна субстракта на протязі 10-20 діб
Контактний біореактор	Апарат повного перемі- шування, з відстійником (сеператором біомаси, яка повертається у біоре- актор). Повна заміна суб- страту протягом 5-15 діб
Біореактор „киплячого” шару	Вертикальний циліндр; стоки подаються знизу зі швидкістю, що забезпе- чує утворення киплячого шару носія (наприклад, піску) з біомасою
Анаеробний фільтр	Вертикальний циліндр з насадкою з твердого по- ристого носія, до якого прикріплюється анаероб- на мікрофлора. Стоки подаються і проходять через шар насадки.
Біореактор з шаром біомаси (активного мулу)	Сточні води рівномірно розподіляються по пло-щині нижньої частини реактора і спрямовуються вверх зі швидкістю, що забезпечує утворення гра нул біомаси у вигляді розпушеного шару, у вер- хній частині знаходиться пристрій для розділення твердої, рідкої та газопо- дібної фаз
Двоступеневий біореактор	Ферментаційний простір розділений на дві части- ни: у першій реалізується процес біодеградації суб- страту та кислотоутво- рення, а у другій - мета-ногенез

Метанове бродіння відходів ферм

Метанове бродіння застосовується для деструкції відходів свиноферм, ферм з вирощування великої рогатої худоби, сміття міських звалищ. У Латвії в господарстві „Огре” за часів СРСР застосували метанове бродіння відходів свиноферми з поголів'ям 2500 голів у двох горизонтальних біореакторах з об'ємами по 75 м³. Режим роботи термофільний (54° С), середньодобова заміна субстрату в біореакторі 20%. Гнійні стоки завантажують у ємність свіжого гною, а потім насосом - у ємність для попереднього підігріву і у біореактор. Біогаз збирається у верхній частині біореактора і в газгольдері, а звідти трубопроводом подається у котел для спалювання інжекційними горілками низького тиску. Підігріта в котлі тепла вода поступає в бойлер, а звідти - частина для обігріву приміщення для тварин. Зброджений субстрат (шлам) витісняється з біореактора і вивозиться для удобрювання полів. Середній склад рідкого добрива (в %): сухої речовини - 1,0 - 5,0; органічної речовини - 0,25 - 4,2: фосфору - 0,05 - 0,7; азоту - 0,31 - 1,14; рН - 6,5 - 8,3. Доведено високу якість такого добрива, особливо для поливу полів з багаторічними травами. Урожай зеленої маси при цьому збільшується у два рази. Досвід роботи цієї установки показав перспективність термофільного метанового зброджування відходів ферм як економічно, так і екологічно виправданого способу утилізації гною. До 50% енергії, отриманої від біогазу, можна використовувати у технологічному циклі тваринницьких комплексів, решта витрачається на підтримку процесу. На великих тваринницьких комплексах переферментований гній фракціонують. Рідку фракцію доцільно додатково обробляти і рециркулювати, а тверду після грануляції - використовувати як високоякісне органічне добриво.

8. Тепловий розрахунок біореактора

Для визначення кількості тепла для підігріву біомаси, теплових втрат з поверхні біореактора і інших, пропонується алгоритм розрахунків, показаний нижче. Розрахунок ґрунтується на загальній схемі потоків теплових втрат, див. рис. 3.3. Позначення на рис. 3.3 такі:

Q_1бг - тепловий потік з кришки біореактора, пам'ятаємо, що верхня частина заповнена біогазом; Q_2бг - тепловий потік з бокової поверхні біореактора, заповненої біогазом; Q_{с бг} - тепловий потік від поверхні субстрату до біогазу; Q_1с - тепловий потік від дна підземної поверхні біореактора, заповненої субстратом; Q_2с - тепловий потік з бокової підземної поверхні біореактора, заповненої субстратом; Q_3c - тепловий потік з бокової наземної поверхні біореактора, заповненої субстратом; Q_вс

Размещено на http://www.allbest.ru/

					Дипломний проект
Зм.	Арк.	№ Докум.	Підпис	Дата
Розробив	Дахно О.П.			Розробка принципової схеми і конструкції комбінованої біогазової установки	Літера	Аркуш	Листів
Перевірив	Романюк в.І.				н	1
Керівник	Романюк В.І.				НУВГП, МЕФ, ПТМ-51
Рецензент	Сухарєв Е.О.
Затв.

- тепловий потік, що виноситься з відпрацьованим субстратом; Q_бг - тепловий потік, що виноситься з біогазом; Q_сс - тепловий потік, що вноситься свіжим субстратом; Q_н - тепловий потік, що потрібний для стабілізації температури в біореакторі.

Зауважимо, що тут знехтувано потоком інсоляції, що може бути важливим для літнього періоду роботи біореактора.

Розрахунок теплотехнічної частини виконується на підставі рівняння теплового та масового балансів і означення відповідних коефіцієнтів теплопередачі поверхонь біореактора. Рівняння теплового балансу відповідно до рис. 2.4 має вигляд:

,

Q_i - потоки теплових втрат, що показані на рис. 3.3. Тепловий потік, що вноситься свіжим субстратом Q_с, розраховуємо за відомою процедурою

Q_сс = G_cс?c_c?t_cс,

G_cс - витрата свіжого субстрату; c_c - теплоємність субстрату; t_cс - його температура при подачі в біореактор.

Тепловий потік, що виноситься спрацьованим субстратом Q_вс розраховується по Q_сс лише необхідно зробити заміну t_cс > t_бм (температуру біомаси).

Тепловий потік, що виноситься з біогазом, Q_бг, знаходимо за

Q_бг = G_бг?c_бг?t_бм,

G_бг - витрата біогазу; c_бг - теплоємність біогазу.

Теплові втрати через поверхню біореактора

При розрахунку втрат тепла слід прийняти до уваги, що частина біореактора знаходиться над поверхнею ґрунту, а частина заглиблена на 4м, крім цього слід пам'ятати, що надземна частина наполовину заповнена біомасою, а наполовину біогазом так, що теплофізичні умови їх різні.

Теплові втрати через поверхню, що знаходиться на повітрі

1. Коефіцієнт тепловіддачі від біомаси до стінки реактора

б_бмс= f(Gr, Pr, н, л) = Nu_бмс?л_бм/Н_3бр;

;

;

;

,

g - прискорення вільного падіння тіл; л_бм - коефіцієнт теплопровідності біомаси; с_бм - щільність біомаси; с_бм - масова питома теплоємність біомаси; н_бм - кінематична в'язкість біомаси; t_вс - температура внутрішньої стінки реактора на рівні біомаси; t_бм - температура біомаси в реакторі; в_бм - коефіцієнт об'ємного розширення біомаси; у_ст - величини, що характеризують біомасу безпосередньо біля стінки реактора; Н_3бр = Н_бр/4 - висота надземної частини реактора заповненої біомасою.

2. Коефіцієнт тепловіддачі від біогазу до стінки реактора

б_гс= f(Gr_гс, Pr_гс, х_г, л_г) = Nu_гс?л_г/Н_2бр;

зміст величин у формулі б_гс такий як у б_бмс, лише вони стосуються біогазу в об'ємі реактора та біля його стінки; Н_2бр - висота надземної частини реактора, заповненої біогазом (у нашому випадку Н_2бр = Н_бр/4).

3. Коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої стінки до повітря

б_сп= f(Gr_сп, Pr_сп, х_п, л_п) = 2?Nu_сп?л_п/Н_бр,

у формулі б_сп всі величини стосуються повітря; Н_бр - висота біореактора.

4. Термічний опір ізольованої стінки реактора

R_ст = д_із/л_із +Д_ст/л_ст;

д_із - товщина шару ізоляції реактора; л_із - теплопровідність ізоляції, Д_ст - товщина залізобетонної стінки реактора; л_ст - теплопровідність залізобетону.

5. Коефіцієнт теплопередачі стінки частини реактора, заповненої біогазом та кришки реактора (плоска стінка)

К₁ = f(б_сп, б_гс, R_ізол) = (1/б_сп +1/R_ст + 1/б_гс)^-1,

приймаємо, що коефіцієнти теплопередачі через кришку та бокову поверхню частини реактора, заповненої біогазом, одинакові (К₁ = К₂).

6. Коефіцієнт теплопередачі стінки частини реактора, заповненої біомасою (плоска стінка),

К₃ = f(б_сп, б_бмс, R_із) = (1/б_сп +1/R_ст + 1/б_бмс)^-1.

7. Повні тепловтрати з надземної поверхні біореактора

Q_нз = Q_1бг + Q_2бг + Q_3с = [К₁?(S₁ + S₂) + K₃?S₃]?(t_{з ст} - t_п),

t_{з ст} - температура зовнішньої стінки реактора; S₁ - поверхня кришки реактора, S₁ = р?D_зр²/4; S₂ - поверхня частини реактора, заповненої біогазом; S₂ = 1/4?Нр?р?D_зр; S₃ - поверхня частини реактора, заповненої зсередини біомасою; S₃ = 1/4?Нр?р?D_зр; бачимо, що S₂ = S₃.

Температура зовнішньої стінки реактора визначається співвідношенням

t_{з ст} = t_бм - [1 + б_бмс?R_ст?]Дt_вн, Дt_вн = t_бм - t_вст.

Теплові втрати через підземну поверхню біореактора

1. Коефіцієнт теплопередачі стінки та дна підземної частини реактора, заповненої біомасою (плоска стінка),

К₄ = f(б_бмс, R_ст) = (1/б_бмс +1/R_ст)^-1.

2. Повні тепловтрати від підземної поверхні біореактора

Q₄ = Q_1с + Q_2с = K₄?S₄?(t_бм - t_{с гр}), S₄ = 1/2?р?D_зр?Н(1 + D_зр/2?Н);

t_{с гр} = t_{с гл}/(1 + D_зр/2?Н)?(1 + t_дн/ t_{с гл}?D_зр/2?Н),

t_{с гл}, t_дн - середня по глибині занурення реактора температура ґрунту та температура ґрунту на рівні дна реактора.

Повні теплові втрати через поверхню біореактора

Ці втрати розраховуємо, використавши вирази Q_нз та Q₄,

Q_s = Q_нз + Q₄ = [К₁?S₁ + (К₁ + K₃)?S₂]?( t_бм - t_п) + K₄?S₄?(t_бм - t_{с гр}).

З цього рівняння випливає, що теплові втрати через поверхню біореактора визначаються різницею температур біомаси і зовнішнього повітря та біомаси і середньої температури ґрунту. Оскільки температура біомаси задається режимом метаногенезу і її можна вважати сталою (для даного режиму), то величина втрат тепла залежить загалом від погодних та сезонних коливань температури.

Відповідно до формул Q_s, К₁ та К₃ для розрахунку коефіцієнтів теплопередачі К₁, К₃ та К₄ необхідно визначити параметри:

б_сп, б_гс, б_бмс, R_ст,

що робиться на підставі формул б_бмс - R_ст для літнього та зимового періодів.

Використовуючи дані розраховані коефіцієнти теплопередачі від різних частин біореактора. Їх значення такі:

К₁ = 0.212 Вт/м²К; К₃ = 0.232 Вт/м²К; К₄ = 0.257 Вт/м²К.

Отже робоча формула розрахунку теплових втрат через поверхню біореактора приймає вигляд

Q_s(t_бм,t_п, t_{с гр}) = [0.212 ?S₁ +0.444?S₂]?(t_бм - t_п) + 0.257?S₄?(t_бм - t_{с гр}).

Відповідно до кліматичних даних, визначено літні та зимові втрати тепла з біореактора, а також максимальні зимові втрати, тут прийнято, що t_бм = 40^оС, а середня температура ґрунту розраховувалась за t_{с гр},

· втрати тепла влітку 5.6 кВт;

· втрати тепла взимку 10.4 кВт;

· максимальні втрати 16.0 кВт.

Виходячи з розрахованих теплових втрат, визначаємо потужність теплообмінника, потрібного для стаціонарного режиму роботи біореактора.

9. Потреба в теплі для підтримання режиму роботи біореактора

Цю величину назвемо технологічним теплом, його величину розраховуємо, див. рис. 2.4, на підставі формул , Q_сс та Q_бг.

Q_н = Q_s + Q_бг + Q_вc - Q_сс = Q_s + G_cс?c_бм?(t_бм - t_сс) + G_бг?c_бг?t_бм.

Максимальна потреба в технологічному теплі виникає у найхолодніші дні зими, приймаючи t_бм = 40^оС, t_сс = 3^оС, отримуємо,

Q_н = 221 кВт.

Враховуючи ККД теплообмінника (0.8) та запас у 40%, знаходимо потужність технологічного теплообмінника, достатнього для підтримки стабільного режиму роботи біореактора,

Q_н = 387 кВт.

Визначимо, чи достатньо тепла згоряння отриманого біогазу для забезпечення роботи технологічного теплообмінника. Для цього розрахуємо об'ємну витрату біогазу, що генерується в біореакторі та помножимо її на нижчу теплоту згоряння біогазу 22МДж/кг.

Q_{t бг} = (M_сор?0.3/24?3600)?22?10⁶,

Q_{t бг} = 561.4кВт.

Цієї теплової потужності цілком досить щоб забезпечити теплом біореактор та виробництво електроенергії при умові, що біогаз буде використовуватися для роботи когенераційної установки. Справді, приймаючи електричний ККД когенераційної установки 0.33, знаходимо електричну та теплову потужності, що отримуємо завдяки біогазу,

Ne = Q_{t бг}?0.33 = 185.3кВт, Nq = Q_{t бг}?0.67 = 376.1 кВт.

Отже, навіть у найхолодніші дні року тепла від когенераційної установки достатньо для стабільної роботи біореактора та забезпечення власних потреб у електроенергії.

Размещено на Allbest.ru