CC BY
14
ГИДРАТ МЕТАНА, КАК СРЕДСТВО ПОЛУЧЕНИЯ БИОЭНЕРГИИ
Искакова Лаура Кайраткызы
магистрант,
Казахский национальный университет имени аль-Фараби Республика Казахстан, г. Алматы Е-mail: [email protected]
Алдияров Абдурахман Уалиевич
канд. физ.-мат. наук, доцент, Казахский национальный университет имени аль-Фараби Республика Казахстан, г. Алматы
METHANE HYDRATE AS A MEANS OF OBTAINING BIOENERGY
Laura Iskakova
Master student, al-Farabi Kazakh National University Kazakhstan, Almaty
Abdurakhman Aldiyarov
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, associate professor,
al-Farabi Kazakh National University Kazakhstan, Almaty
АННОТАЦИЯ
Биомасса является крупнейшим источником возобновляемой энергии с 48 ЭДж, так как в большинстве развивающихся стран биомасса является наиболее важным источником энергии. Доступность, надежность, пригодность и безопасность биомассы являются ключевыми факторами для его использования в качестве альтернативного источника энергии.
Исследования проведены на основе общих положений проведения научно-исследовательских работ с использованием теоретических основ теплотехники, биометаногенеза, физико-математического моделирования и математической обработки результатов.
ABSTRACT
Biomass is the largest source of renewable energy with 48 EJ, as in most developing countries biomass is the most important source of energy. The availability, reliability, suitability and safety of biomass are key factors for its use as an alternative energy source.
The research was carried out on the basis of the general provisions of research work using the theoretical foundations of thermal engineering, biometanogenesis, physical and mathematical modeling and mathematical processing of the results.
Ключевые слова: метан, гидраты, биомасса, экспериментальная установка, биогаз.
Keywords: methane, hydrates, biomass, experimental plant, biogas.
Образование гидратов : Газогидраты образуются при контакте жидкой воды с газом при соответствующей температуре и давлении. Образование газогидратов может происходить в реакторе непрерывного действия с мешалкой, где газ вводят в жидкую воду. Необходимое охлаждение обеспечивается суспензией льда/воды, которую вводят в реактор. В процессе образования газовые смеси молекул Ой 4 и СО 2 захватываются в полиэдрические структуры, состоящие из молекул воды, связанных водородными связями. Молекулярная структура теоретически представляет собой 8в46Н 2 О, а молярное отношение газа к воде составляет 0,1739, что соответствует числу гидратации 1:5,75.
Биогаз представляет собой смесь газа, в основном состоящую из метана (СН 4) и СО2. Он производится с использованием современных биоэнергетических технологий для анаэробного сбраживания ряда ресурсов биомассы, включая органические пищевые отходы, городские сточные воды, сточные воды, промышленные органические стоки, энергетические культуры и сельскохозяйственные отходы. Биогаз может быть очищен в биометан путем отделения СО 2и другие газы. Использование разделения и очистки для получения биометана может обеспечить более удобное использование для транспортировки топлива и для закачки в сеть природного газа[1,2].
Библиографическое описание: Искакова Л.К., Алдияров А.У. ГИДРАТ МЕТАНА, КАК СРЕДСТВО ПОЛУЧЕНИЯ БИОЭНЕРГИИ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 5(98). URL:
https://7universum. com/ru/tech/archive/item/13756
Традиционно биогаз в основном добывался в небольших бытовых варочных котлах для приготовления пищи и отопления в развивающихся странах. В отличие от этого, расширение производства биогаза в развитых странах было обусловлено промышленностью в качестве коммерческих средних и крупных биогазовых установок (МЪВРб) (объем одного варочного котла составляет более 300 м 3 , а общий объем -более 300 м 3 [3]). Различные программы поддержки были осуществлены для развития производства
биогаза как одного из наиболее устойчивых альтернативных источников энергии для снижения потребления и зависимости от ископаемого топлива, смягчения кризиса ископаемого топлива, сокращения выбросов углерода и опасных материалов, предотвращения обезлесения и улучшения плодородия почвы.
Экспериментальная установка (метантенк - биореактор) разработана в лаборатории кафедры теплофизики и технической физики, общая схема которой приведена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1. Общее представление опытного оборудования для получения биогаза
Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рисунке 1.2. Экспериментальная установка состоит из следующих частей: процесс перемешивания субстрата осуществляется через биореактор 10 - через лопасти - 11, соединенные с валом-2 с помощью ручки-1. 12 установлены на подшипниках, которые поддерживают вал лопастями. Это упрощает вращение системы смешивания. Металлический корпус снабжен 3 термостатами - 5, термоэлектрическими нагревателями - 13, поддоном для слива ферментированного субстрата - 16 и крышкой - 17 и предохранительным клапаном - 7. Заготовка заливается в биосборку через люк-4. Затем плотно закройте люк. Внутри агрегата, т.е. на
дне 19 - часто прикреплена металлопластиковая труба. Это структура, которая генерирует тепло через воздушно-газовый поток. Газ, выпущенный из заготовки, собирается в верхней части биореактора, а повышение давления контролируется 6-м манометром. Если давление достигает высокого уровня, предохранительный клапан 7 открывается, и избыток газа выходит. Основной сжатый газ внутри биореактора вводится через соединительный шланг 9 в нижнюю трубу 19, создавая эффективный процесс ферментации за счет передачи газовоздушного тепла внутри трубы на субстрат внутри метанового резервуара и улучшения качества выделяемого газа за счет рециркуляции по всей конструкции.
1-ручнаярукоятка; 2-вал; 3-корпус; 4-люк; 5-терморегулятор; 6-манометр; 7 - предохранительный клапан; 8-краны для газа; 9 - соединительный шланг; 10-субстрат; 11 - лопатки; 12-подшипник; 13-термоэлектрический нагреватель; 14-масло маторное; 15-сливной кран; 16 - сливной латок; 17 - заслонка (заслонка); 18-анаэробный фильтр; 19-труба, создающая пузыри.
Рисунок 1.2. Принципиальная схема опытного оборудования
Анализ уравнений теплового потока солнечных коллекторов Для того, чтобы снизить прикладываемую теплоемкость низкопотенциальных солнечных коллекторов и снизить их расходы на отопление, необходимо уменьшить весовые характеристики теплоотвода, объем теплоносителя в его воздуховодах, а также изготовить корпус.
Этот метод позволил авторам получить аналитическую зависимость эффективности (д) солнечных коллекторов[4]:
• толщина воздушного слоя между светопро-водящей прозрачной, покрытой оболочкой и теплоизоляционной пластиной достигается при 5в.п = 0,011-0,02 м;
• толщина теплоизоляции днища корпуса солнечного коллектора 5т. Эффективность солнечного коллектора с теплоизоляцией для наиболее распространенных материалов (минеральные и стекловолокно, пенополистирол, пенополиуретан) имеет теплопроводность X = 0,02 ... 0,07 Вт / м2 ° &
• при разнице между номинальной и температурой окружающей среды - 10, 15, 20 и 25 Вт / м2, соответственно, теплопроводность наружной поверхности корпуса солнечного коллектора (Тр - ТО) = 283,
288 и 293 К увеличивается до определенного предела 30-35 мм. ;
• материал корпуса.
Тепловые потери деревянных боковых стенок (толщина 5 = 0,03 м и теплопроводность X = 0,13 Вт / м2 ° О) немного отличаются от потерь металла (плита при 0, = 0,001 м и X = 50 Вт / м2 ° С). , Эффективность солнечного коллектора с деревянной стенкой в 1,7 раза выше, чем у металлического корпуса, поэтому при потере тепла через боковые стенки: деревянный корпус можно игнорировать. Необходимо учитывать боковую теплоизоляцию солнечного коллектора с металлическим корпусом.
Экспериментальные модели солнечных коллекторов были разработаны с учетом вышеуказанных оптимальных конструктивных параметров:
• толщина воздушного слоя 5в.п = 0,02 м,
• толщина теплоизоляции днища корпуса 5из = 40 мм;
• в качестве материала корпуса была выбрана боковая теплоизоляция дерева.
Основные конструктивные элементы солнечного коллектора с «воздушным» теплоносителем показаны на рисунке 1.3.
1 - индикатор температуры окружающего воздуха; 2 - солнечный коллектор для испытаний; 3 - индикатор температуры теплообменника; 4 - расходомер; 5 - теплообменник (метановая емкость); 6 - циркуляционный насос; 7 - манометр; 8 - индикатор температуры теплопередачи; 9 - аккумулятор тепла.
Рисунок 1.3. Схема испытания блока солнечного коллектора в режиме нагрева воздуха
Экспериментальные результаты. Наши эксперименты показали, что предлагаемая биогазовая установка, объем которой составляет 3,5 м3, способна перерабатывать 90 кг навоза в день в мезофильном режиме и производить около 20 м3 биогаза и чуть менее 90 кг жидких экологически чистых биоудобрений. Последние содержат ряд органических веществ, которые способствуют повышению проницаемости и гигроскопичности почвы, в то же время предотвращая эрозию и улучшая общее состояние почвы. Органические вещества также являются основой для развития микроорганизмов, которые
переводят питательные вещества в форму, которая может легко усваиваться растениями.
Результаты параллельных практических исследований по выращиванию томата в гелио-теплице показали, что урожайность томата при использовании биоудобрений увеличилась на 40-50%. Для изучения температурных и тепловых режимов, а также мощности установки по отношению к произведенному биогазу мы провели серию экспериментов с различными субстратами в различных метеорологических условиях. Результаты таких экспериментов приведены на рисунке (1.4).
1 - куриный помет; 2 - навоз крупного рогатого скота
Рисунок 1.4. Результаты экспериментальных исследований по выделению биогаза
с различными субстратами
Эксперименты показали, что при мезофильном режиме работы биореактора продуктивность газа практически не снижалась при отклонении температуры на 1-2 ° С от оптимального, а процесс ферментации субстрата длился -25-30 дней. В ходе исследования было установлено, что интенсивность процесса во многом зависит от температуры и влажности в биореакторе.
Показано, что в мезофильном режиме (36-380С) процесс ферментации метана протекает более интенсивно, о чем свидетельствует больший выход биогаза и более высокое содержание в нем метана.
Эффективность использования биогаза. В сельских районах большинство домашних хозяйств получают энергию для приготовления пищи и отопления
путем непосредственного сжигания угля и биомассы, такой как дрова и стебли, с низкоэффективными печами, которые в 2,5 раза менее эффективны, чем биогазовые плиты[5]. Из-за существенной нехватки энергетической инфраструктуры, только небольшая часть сельских жителей использует биогаз, несмотря на то, что многие перерабатывающие установки для домашнего хозяйства используются в сельской местности.
Животный навоз может служить для производства горючего биогазового топлива с температурой сгорания от 20 до 36 МДж / м3 из-за его анаэробного
выброса метана из-за присутствия в нем метана. В течение года биогаз, производимый из навоза одной коровы, может генерировать до 900 кВт-ч топлива в качестве топлива на теплоэлектростанции [6]. Из жидкого помета 100 голов крупного рогатого скота в день можно получить эквивалент горючего газа в количестве 0,7 тонн мазута на тепловую энергию [7].Физические свойства биогаза (таблица 1) и сравнение с другими видами топлива (таблица 2) позволяют говорить о его использовании в качестве топлива для бытовых нужд [8,9].
Таблица 1.
Физические свойства биогаза
Показатель Компоненты Смесь
СН4 CO2 H2 H2S 60% СН4 + 40% CO2
Объемная доля, % 55-70 27-44 1 3 100
Объемная теплота сгорания, МДж/м3 35,8 - 10,8 22,8 21,5
Температура воспламенения, °С 650-750 - 585 - 650-750
Таблица 2.
Соотношение способностей тепловыделения различных видов топлива
Тип топлива (теплота сгорания) Биогаз содержащий СН4 (на 1 м3) Природный газ (на 1 м3) Дизельное топливо (на 1 л) Электрически й ток (1 кВт^час)
56 62 70
Биогаз 56% - СН4 (20,0 МДж/м3) 1,00 0,91 0,80 0,60 0,56 5,6
Природный газ (33,5 МДж/м3) 1,68 1,52 1,34 1,00 0,93 9,3
Возобновляемая энергия может эффективно решать экологические проблемы, вызванные использованием ископаемой энергии для развития. Таким образом, возобновляемые источники энергии занимают видное место в процессе глобальной
трансформации энергии в контексте политических гарантий. Новые политические приоритеты и технологические инновации изменили мировой энергетический ландшафт, обеспечив двойные выгоды от здоровой земли и процветающей экономики.
Список литературы:
1. Ц. Чен, Т. Лю. Биогазовая система в сельской местности Китая: переход от децентрализованной к централизованной. - М.: Эльзевир, 2017. - с. 933-944.
2. Ю. Чен, У. Ху, П. Чен, Р. Разработка проекта МЧР по биогазу для сельских домашних хозяйств в сельской местности Китая Возобновляемая устойчивая энергия . - М.: Эльзевир, 2017. - с. 184-191
3. Х. Осама. Классификация масштабов биогазовой инженерии сельского хозяйства, Сельскохозяйственный стандарт . - М.: Эльзевир, 2011. - 6 с.
4. Безруких П.П. Возобновляемая энергетика: состояние, проблемы, перспективы // Малая энергетика, 2008, №1-2 (6-7). - С. 3-20.
5. Фокина В.Д. Опыт утилизации навоза с получением биогаза и удобрений // Свиноводство, 1989, №1. - С. 43-45.
6. Прищеп Л.Г., Якименко А.П. и др. Проектирование комплексной электрификации. - М., Колос, 1983. - 271 с.
7. Гогатадзе 3. Некоторые вопросы использования отходов животноводства для энергоснабжения горных регионов страны // АПК Таджикистана, 1989, №9. - с . 53-55
8. Ковалев А.А. Технологии и технико-энергетическое обоснование производства биогаза в системах утилизации навоза животноводческих ферм // Дисс. на соиск. уч. ст. д-ра техн. наук. - М., ВИЭСХ, 1998. - 330 с.
9. Сельскохозяйственная биотехнология / Под.ред. академика РАСХН В.С.Шевелухи. - 2-е изд., перераб. и доп. -М, Высшая школа, 2003. - с. 297-317.
