ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ И ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ БИОРЕАКТОРА БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

BIOGAS PLANTS

Статья поступила в редакцию 25.04.12. Ред. рег. № 1314 The article has entered in publishing office 25.04.12. Ed. reg. No. 1314

УДК 620.953

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ И ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ БИОРЕАКТОРА БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

В.Н. Лесничий, Г.А. Четверик

Институт возобновляемой энергетики, Национальная академия наук Украины 02094 Киев, ул. Красногвардейская, д. 20А Тел./факс +38-044-206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net

Заключение совета рецензентов: 10.05.12 Заключение совета экспертов: 15.05.12 Принято к публикации: 20.05.12

В статье рассмотрены вопросы, связанные с расчетами температурного поля, возникающего в биореакторе биогазовой установки при брожении субстрата.

Ключевые слова: субстрат, биореактор биогазовой установки, тепловой режим биореактора, гидродинамический режим биореактора.

HYDRODYNAMIC AND THERMAL MODE OF BIOREACTOR OF BIOGAS PLANT

V.N. Lesnitchiy, H.A. Chetveryk

Institute of Renewable Energy, National Ukrainian Academy of Science 20А Krasnogvardejskaya str., Kiev, 02094, Ukraine Tel./fax: +38-044-206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net

Referred: 10.05.12 Expertise: 15.05.12 Accepted: 20.05.12

In the article discussed questions connected with calculations of temperature field that existed in bioreactor of biogas plant at fermentation of substrat.

Keywords: substrate, bioreactor of biogas plant, thermal mode of bioreactor, hydrodynamic mode of bioreactor.

В связи с уменьшением запасов ископаемого органического топлива (в основном угля, торфа, нефти, природного газа) и глобальным ухудшением состояния окружающей среды как в мире, так и в Украине использование возобновляемых источников энергии, в частности биогаза, получаемого из навоза крупного рогатого скота, свиней, отходов птицефабрик, предприятий пищевой промышленности, сточных вод коммунальных и городских очистительных сооружений, свалок твердых бытовых отходов, относится к весьма актуальным проблемам. Необходимо отметить, что кроме получения биогаза при переработке биомассы решается не только проблема энергообеспечения, но также экологические, агротехнические и социально-экономические проблемы.

Биогаз, который получают на биогазовых установках, - это конечный продукт переработки микроорганизмами сложных органических веществ в анаэробных условиях. Теплота сгорания биогаза находится в пределах от 17 до 23 МДж/кг, а химический состав биогаза приведен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав биогаза и природного газа

Table 1

Chemical composition of biogas and natural gas

Компоненты Природный газ Биогаз

Метан, СН4, объем, % 91 55-70

Этан, С2Н6, объем, % 5,1 0

Пропан, С3Н8, объем, % 1,8 0

Бутан, С4Н10, объем, % 0,9 0

Пентан, С5Н12, объем, % 0,3 0

Углекислий газ, СО2, объем, % 0,61 30-45

Азот, Ы2, объем, % 0,32 0-2

Сероводород, Н2Б, ррт 1 500

Аммиак, МН3, ррт 0 100

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Производительность биогазовой установки зависит от технологических параметров процесса производства биогаза, к которым относятся следующие параметры: суточная доза загрузки биореактора, влажность сырья, температура процесса брожения, значение рН среды, время перемешивания за сутки, интенсивность перемешивания субстрата, давление в биореакторе. Заметим, что все перечисленные параметры существенно влияют на процесс получения биогаза, а изменение их значений приводит к изменению производительности биогазовой установки. Следует отметить, что самым важным из перечисленных технологических параметров является температурный режим биореактора биогазовой установки. Эффективность работы биореактора зависит от поддержания в нем постоянной температуры на протяжении всего времени брожения субстрата и от равномерности распределения температуры по объему биореактора. Подогревание и поддержание стабильной температуры, как правило, осуществляется прокачкой горячей воды через специальные теплообменники, которые монтируются в биогазовой установке.

Количество теплоты для нагрева входной массы рассчитывается по следующей зависимости [1]:

б = Д'брож - 'нач ) , (1)

р П

где: п - коэффициент полезного действия нагревателя; Ь - суточный выход субстрата; с8 - теплоемкость субстрата; 4рож- температура брожения; /нач- начальная температура субстрата.

Зависимость (1) позволяет определить только количество теплоты, необходимое для подогрева субстрата в биореакторе, но при этом остается неизвестным распределение температуры по объему биореактора. Как известно, допустимые значения темпе-

ратур, при которых процесс метанового анаэробного брожения проходит оптимально: мезофильный - температура субстрата составляет 33 °С (±3 °С), термотолерантный - температура субстрата составляет 40 °С (±2 °С), термофильный - температура субстрата составляет 53 °С (±1 °С) [2, 3]. Поэтому необходимо осуществить подогрев субстрата в биореакторе таким способом, чтобы добиться равномерного распределения температуры в биореакторе. В связи с этим возникает необходимость определения температурных полей в биореакторе при подогреве субстрата.

Постановка задачи

Целью настоящей работы является разработка математической модели для расчетов температурного поля в биореакторе биогазовой установки. Рассмотрим пространственную задачу теплопроводности для области в форме цилиндра, накрытого сверху куполом (газгольдер биореактора). В качестве модели биореактора биогазовой установки возьмем полый цилиндр в цилиндрических координатах г, ф, г (рис. 1). Пусть Ир - высота биреактора; Яг - внутренний радиус биореактора; Я3 - внешний радиус биореактора. На 2/3 своей высоты биореактор заполнен субстратом, остальная же часть в начальном состоянии заполнена воздухом, а в конечном состоянии биогазом. Стенка биореактора состоит из железобетона и изоляционного слоя. Область моделирования разделяется на подобласти с разными теплофизиче-скими характеристиками. Приняты следующие допущения: теплофизические параметры считаются постоянными, теплоперенос осуществляется только кондукцией, нижняя часть биореактора теплоизолирована, радиационный теплообмен биореактора с окружающей средой не учитывается.

Рис. 1. Модель биореактора. Сечение биореактора плоскостью ф = const Fig. 1. Model of bioreactor. Section plane of bioreactor ф = const

Математическая модель

Математическая модель температурного поля в биореакторе биогазовой установки представляет собой систему дифференциальных уравнений с на-

чальными и граничными условиями (краевую задачу). Распределение тепла в рассматриваемой области описывается уравнениями теплопроводности для каждого материала (воздуха, субстрата, железобетона, изоляционного слоя):

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (112) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012

Энергия биомассы. Биогазовые установки

дТе

д2ТS 1 дТS 1 д2ТS + д2Т S

S dt S 1 дг2 r dr r2 дф dz2

z e

0;-hp

3 p

r e [0;RJ;

(2)

Граничное условие теплообмена боковой части биореактора с окружающей средой имеет следующий вид (условие 3 рода):

-X. дТжб

dr

= а (Токр.ср - Тж6 )|r=r . (15)

ddljL= X ++1 д2тв + д2Тв

СвРв dt в I dr2 r dr r2 дф dz2

z e

3 hp; hp

r e [0; RJ ;

(3)

дТжб . f д2Тжб 1 дТжб 1 д2Тжб д2Тж

сжб Рж^ — = X^I —— +--— + ——;-+ -

dt

dr r dr r дф dz

z e [0;hp], r eRRJ;

(4)

^изол Ризол

дТ,_

dt

= X.,

д2Т 1 дТ 1 д2Т д2Т

- + —

dr2 r dr r2 дф dz2

z e [0;hp], r e[Ä2;R3]. (5)

Верхняя часть биореактора представляет собой купол. Граничное условие теплообмена купола биореактора с окружающей средой имеет следующий вид:

-X дТкуп

dz

=R cos ß

= « (Токр.ср -Ткуп )| r=R cos ß . (16)

Нижняя часть биореактора теплоизолирована, и поэтому заданы граничные условия симметрии:

X дТs

= 0, r e [0; RJ.

(17)

Уравнение для локально-сосредоточенного источника тепла, который представляет собой змеевик, расположенный вдоль внешней стенки биореактора, является условием 1 рода:

Начальное условие для сформулированной задачи имеет следующий вид:

Т (t, Vr, Уф, Vz)|t=0 = T0.

(6)

Тв = Тs , z = T hp ,0 < r < R,; dT

-X

dz

= Xs ^

2 и dz

z=3 hp

z=3 hp

Т = Т б, r = Я- h < z < h

в жб > 3 p p

dT

-X

dr

= X. дТжб

dr

r=Ri

Ts = Тжб, r = R1, 0 < z <- hp :

-X

dr

= X дTs

dr

Т^ = Т,„„ „, r = R ;

-X

дТ,

dr

=X

дТ,_

dr

(7)

(8)

(9) (10)

(11) (12)

(13)

(14)

T(Vt, r, ф, z) = (7;„x - ТвХ) + Твг 2nn

На всех участках области моделирования, где происходит сопряжение материалов с различными теплофизическими свойствами, а именно субстрата и воздуха, субстрата и железобетона, воздуха и железобетона, железобетона и изоляционного слоя, заданы граничные условия 4 рода:

Я1 -— < г < Я1, 0 <ф< 2пп, а < г < а + к — . (18) 2 2п

Для краевой задачи (2)-(18) приняты следующие обозначения: св - теплоемкость воздуха; рв - плотность воздуха; Тв - температура воздуха; Хв - коэффициент теплопроводности воздуха; с8 - теплоемкость субстрата; рх - плотность субстрата; Т - температура субстрата; Хх - коэффициент теплопроводности субстрата; сжб - теплоемкость железобетона; ржб - плотность железобетона; Тжб - температура железобетона; Хжб - коэффициент теплопроводности железобетона; сизол - теплоемкость изоляции; ризол - плотность изоляции; Тизол - температура изоляции; Хизол - коэффициент теплопроводности изоляции; Твх - температура на входе в теплообменник биореактора; Твых - температура на выходе из теплообменника биореатора; й?т -диаметр трубки теплообменника; Ткуп - температура купола биореактора; а - высота над дном биореактора, на которой размещен змеевик; Токрср - температура окружающей среды; К - шаг змеевика; а - коэффициент теплообмена; в - угол сектора купола биореактора.

Таким образом, краевая задача (2)-(16) и есть математическая модель температурного поля в биореакторе. Задачу возможно решить методом конечных разностей.

Температурное поле в биореакторе биогазовой установки позволит подобрать оптимальное размещение и геометрические размеры теплообменника в биореакторе, температуру теплоносителя и оптимальную толщину изоляционного слоя стенки биореактора таким образом, чтобы температура в любой

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

z=0

в

точке биореактора находилась в оптимальных пределах заданного режима брожения.

Существенным недостатком предложенной модели является то, что данная модель не учитывает процесс перемешивания в биореакторе. Эффективность работы биореактора определяется условиями взаимодействия популяций микроорганизмов с субстратом. Поэтому необходимо периодически перемешивать субстрат.

В процессе брожения органических веществ в биореакторе биогазовой установки биомасса имеет тенденцию к разделению на три фракции. Верхняя фракция представляет собой корку, образованную из больших частей органического вещества, которые поднимаются на поверхность вместе с пузырьками газа. Через некоторое время после начала брожения корка может стать твердой и будет мешать выделению биогаза. Средняя фракция - это жидкость. Популяции микроорганизмов наиболее активны в средней части биореактора. В нижней части биореактора образуется осадок. Перемешивание субстрата препятствует образованию корки на поверхности и уменьшает количество осадка внизу биореактора.

Идеальным считается такое перемешивание субстрата, при котором концентрации и органических

веществ, и популяций микроорганизмов одинаковы во всех точках биореактора.

Следует заметить, что более высокие значения температуры будут наблюдаться в точках вблизи источника тепла. Перемешивание субстрата способствует равномерному распределению температуры в биореакторе. Для изучения влияния перемешивания субстрата (тип мешалки, время и интенсивность перемешивания) на температурное поле в биореакторе необходимо провести эксперименты по определению значений температуры при перемешивании субстрата и сравнить их с теоретическими расчетами температурного поля по предложенной математической модели (без перемешивания). Это позволит подобрать оптимальное время и режим перемешивания субстрата.

В табл. 2 приведены данные по трем биогазовым установкам, построенным в Украине: биогазовой установке в с. Большая Крупель Киевской области (ООО «Украинская молочная компания»), биогазовой установке в сгт. Терезино Киевской области (ОАО «Терезино»), биогазовой установке в с. Еленовка Днепропетровской области (ООО «Агроовен»).

Биогазовые установки Украины Biogas plants of Ukraine

Таблица 2

Table 2

Местоположение биогазовой установки с. Большая Крупель, Киевская область сгт. Терезино, Киевская область с. Еленовка, Днепропетровская область

Биореактор Сталь, изолирован с боков Железобетон Бетон с утеплителем

Субстрат Навоз коров Навоз свиней

Подогрев субстрата Температура в биореакторе: 38 °С. Используется змеевиковый теплообменник, который состоит из 10 трубок 0 17 мм. Теплоноситель: 80-60 °С зимой и 65-55 °С летом. ~ 82% тепловой энергии установки в зимний период Температура в биореакторе: 38-39 °С. На 1 м3 сырья 3,3 кВт тепловой энергии в час Теплоноситель: 90-40 °С зимой ~ 64% тепловой энергии установки в зимний период Температура в биореакторе: 35 °С. Высота биореактора 3,6 м, причем 2,5 м под поверхностью земли. ~ 40% тепловой энергии установки в зимний период

Перемешивание субстрата каждый 1 час перемешивается 20 мин. ~ 10% электроэнергии установки каждые 4 часа перемешивается 1,5-2 час. Подача сырья 6 раз в день. ~ 7,2% электроэнергии установки каждые 2 часа перемешивается 25-30 мин. ~ 7% электроэнергии установки

Выводы

Список литературы

Таким образом, в статье разработана новая математическая модель для расчетов температурного поля в биореакторе биогазовой установки. При разработке этой модели использовались данные по температурным и гидродинамическим режимам в биореакторах биогазовых установок Украины.

1. Кудря С.О., Головко В.М. Конструювання енерго-установок з вщновлюваними джерелами енергп (курс лекцш). Кжв: 1нститут вдаовлювано! енергетики НАН Украши, 2005.

2. Семененко И.В. Проектирование биогазовых установок. Сумы: Видавничо-виробниче тдприемство «Мрiя-1» ЛТД., 1994.

3. Баадер В., Бренндерфер Е., Доне М. Биогаз. Теория и практика. М.: Колос, 1982.

- TATA — I >

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (112) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012