CC BY
35ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ
ENERGY OF BIOMASS
Статья поступила в редакцию 03.12.10. Ред. рег. № 901 The article has entered in publishing office 03.12.10. Ed. reg. No. 901
УДК 631.371
БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА С УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОБОГРЕВА СУБСТРАТА
Е.М. Онучин, А.А. Медяков, Р.В. Яблонский
Марийский государственный технический университет 424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина, д. 3 E-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 23.12.10 Заключение совета экспертов: 30.12.10 Принято к публикации: 05.01.11
Статья относится к области возобновляемой энергетики, в ней рассматривается задача эффективного перемешивания и обогрева субстрата в биогазовых установках. Ее основная идея заключается в повышении эффективности перемешивания и обогрева субстрата. За счет составления схемы комплексного решения достигается оптимальное решение задач перемешивания и обогрева с помощью выбранных устройств. В статье также представлены механические перемешивающие устройства и традиционные системы отопления биогазовых установок. В статье представлена одна из конструкций устройства, реализующего схему комплексного решения задач перемешивания и обогрева. Статья представляет интерес для специалистов, работающих в области биогазовых технологий.
Ключевые слова: энергосбережение, биогазовые установки, механическое перемешивание, традиционное отопление, барбо-тажное перемешивание, каталитическое горение, комплексное решение, тепловой барботаж.
THE BIOGAS UNIT WITH THE DEVICE OF STIRRING AND CATALYTIC HEATING OF THE SUBSTRATE
E.M. Onuchin, A.A. Medyakov, R.V. Yablonskiy
Mari State Technical University 3 Lenin sq., Yoshkar-Ola, 424000, Russia E-mail: [email protected]
Referred: 23.12.10 Expertise: 30.12.10 Accepted: 05.01.11
The article relates to the field of renewable energy. The problem of efficient mixing and heating the substrate in biogas plants is considered in the paper. Its main idea is to increase the efficiency of mixing and heating of the substrate. Through the establishment of the scheme of complex solutions achieved an optimal solution of the mixing and heating with the selected devices. Mechanical stirring devices and traditional heating system of biogas plants are also presented in the paper. One of the design of the device that implements the scheme of complex solution of tasks of mixing and heating is presented in the article. The article is of interest to professionals working in the field of biogas technology.
Keywords: energy saving, biogas units, mechanical stirring, conventional heating systems, barbotage stirring, catalytic oxidation, complex solution, heating barbotage.
Введение
За последние годы в Российской Федерации при постоянном росте цен на энергоносители, значительном повышении экологических требований по атмосфере, почвам, водоемам, а также возрастающем риске отключений и аварий в энергосистемах увеличивается интерес отечественных специалистов и
сельскохозяйственных предприятий к выбору рациональных технологий по переработке и утилизации отходов животноводческих ферм и птицефабрик.
Необходимость энергосбережения и снижения загрязнения окружающей среды заставляет более рационально использовать традиционные энергоресурсы, а также искать другие, возобновляемые и недорогие источники энергии.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11(91) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
Существующие биогазовые технологии
Основными тенденциями развития биогазовых технологий в настоящее время являются:
- повышение энергоэффективности;
- снижение себестоимости выработки биогаза;
- повышение эффективности процессов сбраживания;
- разработка и внедрение новых способов сбраживания.
Рассмотрим с точки зрения выше упомянутых тенденций устройства, применяемые в существующих биогазовых установках.
Эффективное перемешивание играет важную роль в процессе сбраживания. За счет эффективного перемешивания создаются благоприятные условия для развития метанобразующих микроорганизмов, в частности, равномерно распределяются питательные вещества по всему объему аппарата, происходит отвод тепла, образующегося в результате роста и развития микроорганизмов, а также удаляется токсичный углекислый газ и остальные продукты обмена [1].
Для перемешивания субстрата в биогазовых установках в настоящее время используются преимущественно механические перемешивающие устройства, основные представлены на рис. 1.
Традиционно в биогазовых установках применяются системы водяного отопления. Существует множество различных теплообменных аппаратов для подобных систем отопления, основные приведены на рис. 2 [3].
Рис. 1. Механические перемешивающие устройства: а - турбинное; b - лопастное; c - рамное; d - якорное; e - специальное Fig. 1. Mechanical stirring devices: а - turbine stirring device; b - blade stirring device; c - frame stirring device; d - anchor stirring device; e - special stirring device
Применение механических перемешивающих устройств предъявляет высокие требования к форме реактора, если должны быть обеспечены необходимая для уменьшения образования осадка и плавающей корки скорость перемешивания и требующаяся для интенсивного перемешивания субстрата турбулентность во всех зонах реактора. Поэтому такие мешалки могут эффективно использоваться лишь в небольших реакторах [2].
Наличие эффективного источника тепла для поддержания температуры процесса сбраживания является необходимым для продуктивной работы всей биогазовой установки.
Рис. 2. Теплообменные аппараты для систем водяного отопления: а - трубчатый теплообменник с регистром из вертикальных труб; b - змеевик, встроенный в днище; c - внешний теплообменник типа «труба в трубе»; d, e - теплообменник в виде спирали, расположенной по периферии резервуара и в центральной части; f - устройство обогрева паром
Fig. 2. Heat exchangers of the water heating systems: - the tubular heat exchanger with the register of vertical pipes ; b - the coil which has been built in the bottom; c - the external heat exchanger of type "a pipe in a pipe"; d, e - the heat exchanger in the form of a spiral located on periphery of the tank and in the central part; f - the device of steam heating
Функционирование подобных систем отопления требует создания дополнительных систем циркуляции и обогрева промежуточного теплоносителя, что усложняет их конструкцию и связано с дополнительными затратами при создание биогазовых установок.
В качестве источников тепла в системах отопления биогазовых установок преимущественно используются:
- газовые котлы, потребляющие до 10% производимого биогаза;
- электрические котлы, которые являются дорогостоящими в эксплуатации ввиду высокой цены электроэнергии;
- другие источники тепла (вторичные энергоресурсы и местные источники энергии), эффективность использования которых зависит от доступности источника в данном районе.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (91) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
а
Е.М. Онучин, А.А. Медяков, Р.В. Яблонский. Биогазовая установка с устройством для перемешивания и обогрева субстрата
Составляющие разрабатываемого устройства
В рамках разрабатываемого устройства совершенствуются методы перемешивания и обогрева субстрата, а также предлагается комплексное решение задачи эффективного перемешивания и обогрева.
На фоне механических способов перемешивания выделяется более простой и надежный способ - это барботажное перемешивание. Схема процесса барбо-тажного перемешивания показана на рис. 3. Оно осуществляется за счет отбора из верхней части биореактора выделяющегося биогаза и барботирования его через толщу сбраживаемого субстрата.
Рис. 3. Схема процесса барботажного перемешивания Fig. 3. The scheme of process of barbotage stirring
устройства сжигания. Схема каталитического окисления показана на рис. 4 [5]. В результате взаимодействия молекул кислорода и углеводородов на поверхности катализатора происходит процесс низкотемпературного окисления с образованием паров воды и углекислого газа.
К преимуществам каталитических устройств следует отнести:
- полноту сжигания топлива, которая способствует повышению эффективности процесса горения;
- снижение температуры процесса горения, которое обеспечивает конструктивные преимущества каталитических устройств горения;
- сокращение выбросов вредных газов в атмосферу в связи со снижением температуры горения и более полным сжиганием топлива;
- снижение тепловых выбросов в атмосферу с уходящими газами [6].
Принцип функционирования устройства
Каждая установка обладает рядом характеристик, которые характеризуют процессы, происходящие при их функционировании. При решении задачи эффективного перемешивания и обогрева были использованы характеристики биогазовых установок, каталитических обогревателей и барботажных устройств. В результате была выработана схема комплексного решения задач, представленная на рис. 5.
Потребитель
Биогаз
Каталитический
обогреватель
Биогазовая
установка
Тепловая Тепловой ^^Н
энергия барботаж ^^Л
Уходящие Барботажное
1 газы устройство
Рис. 4. Схема каталитического окисления Fig. 4. The scheme of catalytic oxidation
Достоинствами барботажного перемешивания являются простота устройства из-за отсутствия движущихся частей, к которой также относится простота проектирования, высокая надежность в эксплуатации, а также легкость поддержания нерастворенной фазы субстрата во взвешенном состоянии [4].
По сравнению с традиционными источниками тепла более эффективными являются каталитические
Рис. 5. Схема комплексного решения задачи перемешивания и обогрева Fig. 5. The scheme of the complex solution of problem of stirring and heating
Каталитический обогреватель, потребляя биогаз, производит тепловую энергию и уходящие после процесса горения газы. Тепловая энергия непосредственно используется для обогрева биогазовой установки, а барботажное устройство с помощью уходящих газов создает тепловой барботаж, который одновременно служит для перемешивания субстрата и для его обогрева. В результате вырабатывается био-газ, часть которого используется для отопления, а основная часть отправляется потребителям.
На рис. 6 изображена одна из конструкций устройства, реализующего схему комплексного решения.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11(91) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
Рис. 6. Устройство для перемешивания и каталитического обогрева субстрата Fig. 6. The device of stirring and catalytic heating of the substrate
В процессе работы устройства газ и воздух поступают в камеру смешивания, откуда с помощью горелочного устройства поступают в камеру каталитического горения, в которой происходит процесс окисления с выработкой тепла. Затем уходящие газы, двигаясь по теплообменнику, отдают теплоту, выделяющуюся при горении. Затем, проходя через распределительные трубопроводы, они поступают в барботажное устройство и барботируются через толщу субстрата, отдавая всю заключенную в них теплоту.
В результате субстрату полностью передается теплота уходящих газов, а также создается циркулирующий поток внутри биогазовой установки.
Выводы
Применение комплексного решения задачи эффективного перемешивания и обогрева позволит:
- снизить материалоемкость установки ввиду отсутствия традиционных систем водяного отопления;
- снизить себестоимость выработки кубического метра газа путем повышения эффективности получения тепловой энергии, а также более полного использования вырабатываемого тепла.
Список литературы
1. Мариненко Е.Е. Основы получения и использования биотоплива для решения вопросов энергосбережения и охраны окружающей среды в жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве. Учебное пособие. Волгоград: ВолгГАСА, 2003.
2.Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика. М.: Колос, 1982.
3. Шамшуров Д.Н. Повышение эффективности биогазовых установок за счет применения мембран-но-абсорбционных газоразделительных систем / Дисс... канд. техн. наук: 05.20.01.
4. Сидыганов Ю.Н., Шамшуров Д.Н., Костромин Д. В. Анаэробная переработка отходов для получения биогаза // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. № 6. С. 42-43.
5. Catalytic Combustion Technology for Off-Gas Purification [Электронный ресурс] Режим доступа: http ://www.topsoe.com/business_areas/flue_and_waste_ gas/~/media/PDF%20files/CAT0X/CAT0X.ashx, свободный.
6. Лукьянов Б.Н., Кузин Н.А., Кириллов В.А., Куликов В.А., Шигаров В.Б., Данилова М.М. Экологически чистое окисление углеводородных газов в каталитических нагревательных элементах // Химия в интересах устойчивого развития. 2001. № 9. С. 667-677.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (91) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
