CC BY
99
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.358.:635.6
БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ И БАРТОТАЖНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ В АПК
Д.В. Костромин, кандидат технических наук А.А. Медяков, аспирант Р.В. Яблонский, инженер
Марийский государственный технический университет
В статье изложены материалы, посвященные комплексному решению задач перемешивания и обогрева с использованием каталитических обогревательных устройств для повышения эффективности биогазовых установок. С помощью средств трехмерного моделирования прорабатываются различные конструктивные исполнения составных частей стенда, исследуются особенности их функционирования и обеспечения требуемого технологического процесса анаэробной переработки.
Ключевые слова: биогаз, метантенк, каталитический обогрев, барботажное перемешивание, анаэробное сбраживание.
Создание эффективных биогазовых установок является перспективным направлением развития сельского хозяйства, а также отрасли по переработке органических отходов в целом. Установки анаэробного сбраживания органических отходов являются мощным инструментом для оптимизации технологических процессов на сельскохозяйственных предприятиях. Перспективы использования биогазовых установок ставят актуальные задачи по совершенствованию технологических и технических решений, использованных при их создании.
В настоящее время перспективным представляется использование для перемешивания субстрата очищенный биогаз [2, 3], подаваемый в емкость биореактора. Подаваемые для перемешивания газы подогреваются нагревательным элементом [3] и водяной рубашкой [2]. Перемешивание газом не требует создания сложных перемешивающих устройств и позволяет осуществлять эффективное перемешивание в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В исследуемых установках подогрев перемешивающего газа до рабочей температуры осуществляется для предотвращения охлаждения субстрата в биореакторе при перемешивании и не является основным устройством обогрева. Это требует создания системы отопления для установки [3]. При этом используемая для установки [2] система водяного отопления и специальная водяная рубашка повышает металлоемкость установки и усложняет ее конструкцию.
Для повышения эффективности биогазовых установок в статье [1] было предложено комплексное решение задач перемешивания и обогрева с использованием каталитических обогревательных устройств.
Для проведения экспериментальных исследований устройства для перемешивания и каталитического обогрева был разработан биореактор, представленный на рис. 1.
Корпус биореактора выполнен из пластика для снижения веса установки. Цилиндрическая форма биореактора позволяет существенно уменьшить число застойных зон в поперечном сечении. Наличие поперечных перегородок 4 позволяет разделить биореактор на зоны сбраживания, в которых поддерживаются благоприятные для определенного этапа сбраживания условия.
Рисунок 1 - Модель биореактора для исследования устройств для каталитического обогрева и перемешивания: 1 - входной патрубок субстрата, 2 - выходной патрубок субстрата, 3 - распределительная часть барботажной система, 4 - поперечные перегородки, 5 - выходные патрубки для биогаза, 6 - запорная арматура, 7 - датчики температуры
В процессе сбраживания субстрат постепенно перемещается из одной зоны в другую, тем самым исключается проскок несброженной массы к выходному патрубку реактора 2. Загрузка субстрата осуществляется через входной патрубок 1, при загрузке субстрат перетекает через поперечные перегородки из одной зоны сбраживания в другую с одновременным вытеснением субстрата через выходной патрубок. В промежутках между загрузками и перемешиванием в реакторе создается 5 зон сбраживания, соответствующих определенному этапу анаэробного брожения. Установленные в каждой зоне выходные патрубки для биогаза 5 и датчики температуры 7 позволяют фиксировать влияние особенностей перемешивания и обогрева на температуру, выход биогаза и его качество в каждой зоне. Датчики температуры также позволяют контролировать равномерность распределения температуры в реакторе. Биогаз для перемешивания подается в распределительную часть 3 системы барботирования, снабженную запорной арматурой и позволяющую менять конфигурацию системы барботирования.
Для исследования устройств каталитического обогрева и перемешивания был разработан комплекс (рис. 2), который может использоваться после незначительной доработки с любыми конструкциями биореакторов.
Комплекс позволяет осуществлять весь цикл работ, необходимых для обеспечения непрерывного процесса переработки органических отходов.
Г азовая система комплекса предназначена для отбора и хранения выделяющегося в процессе брожения биогаза. Во всех зонах биореактора установлены выходные патрубки для биогаза, позволяющие фиксировать выход биогаза и его качество в каждой зоне. Система предварительной очистки биогаза позволяет исключить вероятность попадания частиц субстрата в газовую систему. Газовые предохранительные устройства позволяют сохранить систему неповрежденной в экстренных ситуациях. Для хранения биогаза предназначен газгольдер, объем которого определяется исходя из колебаний производства и потребления биогаза. Газовая система позволяет определять общее ко-
2
личество вырабатываемого биогаза и его температуру с помощью газового расходомера и термодатчика, расположенных перед входом в газгольдер. Газовая система позволяет фиксировать параметры биогаза в каждой зоне биореактора (количество, качество), а также измерять количество теплоты, отводимое из реактора с выделяющимся биогазом.
Рисунок 2 - Модель экспериментального комплекса для исследования устройств каталитического обогрева и перемешивания: 1 - биореактор, 2 - система загрузки субстрата, 3 - система выгрузки субстрата, 4 - газовая система, 5 - газгольдер, 6 - система отбора биогаза, 7 - система предварительной очистки биогаза и газовые предохранительные устройства, 8 - система перемешивания и обогрева, 9 - компрессор,
10 - модуль каталитического обогрева
В системе перемешивания и каталитического обогрева (рис. 3) происходит отбор биогаза, повышение его давления с помощью компрессора и подогрев с помощью каталитического обогревателя. После этого газ направляется в систему барботирования биореактора, где осуществляет перемешивание и обогрев сбраживаемого субстрата. В системе реализованы возможности контактного теплообмена при смешении подогреваемого и подогревающего газов в газовом смесителе 2 и рекуперативного теплообмена в газо-газовом теплообменнике 5 с отводом продуктов горения через дымовую трубу 6, а также их комбинации при частичном смешении газов в смесителе и частичном отводе газов через теплообменник в дымовую трубу.
Предложенная система обеспечивает работу каталитического подогревателя 4 в стационарном режиме при однонаправленном потоке стехиометрической смеси горючего газа и окислителя, а также в режиме «Реверс-процесса» при периодически сменяемом направлении потока смеси из большого количества горючего газа и заданного количества окислителя. Система перемешивания и каталитического обогрева позволяет фиксировать параметры обогреваемого и обогревающего газов (температуру, расход) при любых режимах работы, а также измерять количество теплоты, подведенной к обогреваемому газу, количество теплоты, отведенной от обогревающего газа, количество теплоты, передаваемое и воспринимаемое при контактном теплообмене, а также количество теплоты, выделяющееся при каталитическом сжигании.
Рисунок 3 - Схема системы перемешивания и каталитического обогрева: 1 - биореактор;
2 - газовый смеситель; 3 - эжекционый смеситель биогаза с воздухом (кислородом);
4 - каталитический подогреватель; 5 - газо-газовый теплообменник;
6 - дымовая труба
Заключение
1) Предложенная конструкция экспериментального стенда для исследования процессов каталитического обогрева и перемешивания субстрата при анаэробном сбраживании отличается использованием простой и эффективной системы барботажно-го перемешивания, позволяющей равномерно распределять тепло по объему биореактора, а также отсутствием системы водяного отопления и специальных теплообменников или рубашек обогрева, позволяющих снизить металлоемкость стенда и упростить его конструкцию.
2) Система каталитического подогрева и перемешивания, исследуемая с помощью экспериментального стенда, позволяет повысить эффективность получения тепла при каталитическом сжигании газа, а также повысить эффективность использования выработанного тепла за счет контактного теплообмена с барботируемым газом.
3) Предложенная схема системы перемешивания и каталитического обогрева позволяет оценить эффективность различных конструктивных решений и их совместного использования, а также определить зависимости между показателями эффектив-
ности системы перемешивания и каталитического обогрева и всей биогазовой установки и конструктивными особенностями и режимами работы системы перемешивания и каталитического обогрева.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Библиографический список
1. Онучин, Е. М. Биогазовая установка с устройством для перемешивания и каталитического обогрева субстрата [Текст] / Е.М. Онучин, А.А. Медяков, Р.В. Яблонский // Альтернативная энергетика и экология. - 2010. - №11. - С. 91-94.
2. Результаты экспериментальных исследований биогазовой установки с системой бар-ботажного перемешивания [Текст]/ Ю.Н. Сидыганов, Д.Н. Шамшуров, Д.В. Костромин, Д.В. Бутусов, А.В. Феоктистов // Известия СПбГАУ. - 2010. - № 20. - С. 299-303.
3. Сидыганов, Ю. Н. Анаэробная переработка отходов для получения биогаза [Текст]/ Ю.Н. Сидыганов, Д.Н. Шамшуров, Д.В. Костромин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2008. - № 6. - С. 42-43.
Е-mail: [email protected]
