CC BY
19
Интенсификация процесса выработки биогаза
А.П. Пирожникова, Д.В. Кулагин Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону Аннотация: Использование биогазовых комплексов нашло широкое применение, прежде всего, в качестве решения экологических проблем, связанных с утилизацией отходов агропромышленного комплекса, а также получения дополнительных видов энергии и органических удобрений. Разработано множество конструкций биогазовых установок, подходящих для работы в различных климатических условиях. Выбор конструкции биогазовой установки является важнейшим этапом процесса планирования. В статье рассматривается усовершенствование установки биореактора с целью получения большего объема конечного сырья, повышающего его качество и КПД установки в целом. Определены условия, способствующие повышению эффективности работы биогазовых установок.
Ключевые слова: биомасса, биогазовая установка, процесс выработки газа, утилизация отходов, вредные выбросы.
Проблема утилизации и переработки отходов все чаще привлекает к себе внимание общественности. На сегодняшний день энергетическая переработка отходов и их утилизация находит решение, прежде всего, в биоэнергетическом спектре технологий. Биоэнергетика - одно из ключевых направлений возобновляемых источников энергии, в котором для получения альтернативной энергии используются различные виды органической биомассы.
Биомасса как вид первичной энергии, имеет наибольший потенциал среди всех источников возобновляемой энергии, по экономическим показателям ее можно сравнивать с эффективным использованием потенциала гидроэнергоресурсов для ГЭС малой мощности. По данным информационно-аналитического агентства «ИНФОБИО», в Европе и США производство биогаза сконцентрировано в наибольшей степени, при этом многие страны мира также развивают это энергетическое направление [1,2].
В Европе наибольшее количество биогаза производится из отходов сельского хозяйства, предприятий и органических отходов частных домохозяйств (5,1 ГВт) По анализу экспертов, на территории Российской Федерации ежегодно вырабатывается до 15 млрд т. биомассы, энергия которой сопоставима с 8 млрд т. условного топлива [3]. В 2022 году альтернативная энергетика в России все еще не является приоритетной, но продолжает развиваться.
Ошибочным мнением считается тот факт, что биогазовые станции являются лишь источником возобновляемых энергоресурсов. Действительно, в процессе работы установки образуется биогаз, дающий возможность минимизировать затраты энергоресурсов на нужды производства (тепло, электроэнергия) и получить определенную прибыль, но главным назначением биогазовой станции является экологически безопасная утилизация и переработка органических отходов, поэтому основное направление деятельности предприятий, эксплуатирующих биогазовые установки, заключается в оказании услуг рециклинга отходов [4].
При создании современных, экономически эффективных биогазовых технологий разрабатываются наилучшие конструктивные решения, которые обеспечивают снижение использования металла в конструкции, повышение энергоемкости установки, ее адаптации к энергетическим, экономическими экологическим условиям региона, в котором будет проходить эксплуатация [5]. В настоящее время, в связи с возрождением деятельности в области сельскохозяйственного производства, наблюдается спрос на маломощные установки с простым конструктивным устройством. Современные технологии предоставляют возможность их эксплуатации как в промышленном, так и в индивидуальном сегменте для производственных объектов и частных домовладений.
Известны установки для производства биогаза и органического экологически чистого удобрения, предназначение которых заключается в
М Инженерный вестник Дона, №4 (2022) ¡\с1оп. ru/ru/magazine/arcЫve/n4y2022/7581
сбраживании органических отходов сельскохозяйственного производства анаэробным способом [6-8]. Все эти установки имеют ряд существенных недоработок: сложность и дороговизна конструкции, используемой для перемешивания субстрата, изготовленной из перфорированной арматуры; наличие конструктивных узлов, подверженных износу. К конструктивным узлам относятся миксеры - механические перемешивающие устройства, которые ускоряют процесс образования газа; вероятность выхода из строя электромотора с мешалкой, что повлечет за собой экономические издержки.
В результате проведенных исследований предложена оптимальная схема биогазовой установки для эффективного функционирования, с отсутствием механических частей внутри герметичного резервуара [9]. Изобретение относится к области получения биогаза, целью которого является интенсификация процесса выработки газа, в полной мере оправдывает эффективность и целесообразность технически усовершенствованных конструктивных элементов внутреннего устройства биоустановки.
Сущность изобретения заключается в том, что установка для переработки отходов сельскохозяйственной промышленности, включающая вертикальный резервуар с технологическими патрубками для подачи перерабатываемой биомассы, отводящий патрубок для биогаза, барботажное перемешивающее устройство, установленное в резервуаре и представляющее собой спиралевидную перфорированную трубу, отверстия которой выполнены в шахматном порядке, дополнительно включает установленные на опоры по центру резервуара конусообразные конструкции с V-образным выступом на конце, жестко закрепленные между собой и основанием установки, и к резервуару с внешней стороны смонтирован циркуляционный насос для перекачки субстрата в верхнюю зону установки.
и
Сущность изобретения поясняется рис. 1, на котором изображен вертикальный фронтальный разрез биогазовой установки А-А. Наименования приведенных деталей показаны в табл. 1.
Рис. 1. - Установка для переработки отходов сельскохозяйственной
промышленности
Таблица 1. - Наименование позиций установки для переработки отходов сельскохозяйственной промышленности
№ позиции Наименование
1 резервуар цилиндрической формы
2 вертикальные опоры
барботажное перемешивающее
3 устройство, в виде витков спиралевидной перфорированной трубы
4 конусообразные перемешивающие устройства с V - образным изгибом по краям
5 отверстия в спиралевидной трубе
опоры конусообразных
6 перемешивающих устройств у основания резервуара 1
7 верхняя крышка резервуара
8 патрубок для транспортировки перерабатываемой биомассы в
емкость, в которой происходят основные процессы образования газа
9 патрубок от трубопровода подачи субстрата
10 трубопровод выхода биогаза
11 газгольдер
12 датчик, смонтированный на верхней
крышке резервуара
патрубок забора субстрата для
13 подачи в верхнюю часть установки по трубопроводу
14 циркуляционный насос
15 трубопровод подачи субстрата
16 трубопровод
17 компрессор
18 патрубок для перемещения полученного в результате брожения
отходов сельскохозяйственной промышленности газа
19 кран
20 дренчерный ороситель
Примененные в разработке технические решения способствуют
увеличению срока службы установки, обеспечивают возможность наращивать объемы производства биогаза и применять метод когенерации.
Проведем сравнительный анализ эффективности изобретенной модели биоустановки с установкой, имеющей функцию механического перемешивания субстрата. При механическом способе перемешивания важной характеристикой эффективности работы является насосный эффект (Ур) - объем жидкости, который мешалка может обработать в единицу времени. Высокие показатели данного эффекта зависят от конструкции и частоты вращения мешалки, а также вязкости перемешиваемого субстрата. Чем выше вязкость, тем ниже эффективность процесса.
где w - средняя скорость жидкости, проходящей через лопасти мешалки; d -диаметр окружности, описываемой крайней точкой лопасти, м; п - диаметр емкости, м [10].
При вращении мешалки, под действием центробежной силы, поток жидкости разделяется на два радиально противоположных: один движется вверх, другой - вниз. Из-за этого эффекта возникают застойные зоны, рис. 2, в которых перемешивание субстрата неэффективно по причине минимального завихрения потока жидкости.
Особенность представленной модели биоустановки заключается в том, что при циркуляционном перемешивании поток жидкости проходит через весь полезный объем резервуара, передавая часть своей энергии препятствию в виде стационарного немеханического устройства, рис. 3. Процесс дополняет сопло, из которого субстрат подается в верхние слои резервуара, тем самым приводя массу на поверхности в движение.
Ур = пxdxw ,
(1)
/
V
ч
у
Т Л
V
Г
\
/
Рис. 2. - Траектория движения жидкости в биореакторе с механическим
Турбулентные потоки, возникающие в результате ударения субстрата об элементы, располагающиеся во внутренней части установки, ускоряют процесс образования биогаза, что в конечном счете и является основной задачей.
Рис. 3. - Траектория движения жидкости в биореакторе с немеханическим
перемешивающим устройством
Техническим результатом разработки является улучшение конструкции установки, увеличение срока службы и повышение эффективности при применении данной технологии. Показатель эффективности работы по
перемешивающим устройством
достижению поставленной задачи - получение практически значимых результатов научных исследований.
Биоэнергетика является одним из наиболее перспективных видов возобновляемых энергетических источников, и прежде всего - в области использования отходов. Но существующие в настоящее время научно-технологические наработки в сфере биоэнергетики недостаточны и требуют дальнейшего улучшения и усовершенствования. Производство и использование биоэнергетических установок в качестве генерирующих объектов системы малой распределенной энергетики дадут возможность гибкого использования особенностей региональных ресурсных баз, что гарантированно приведет к снижению экологической напряженности за счет утилизации отходов и вредных выбросов от энергетических установок и автотранспорта.
Литература
1. Eriksson P., Olsson M. The potential of bio gas as Vehicle Fuel in Europe - A technological innovation systems analysis of the emerging bio methane technology. URL: publications lib.chalmers.se/records/fulltext/ 43365.pdf.
2. Технологическая Платформа «Биоэнергетика». Стратегическая Программа Исследований-2021. Москва. URL: tp-bioenergy.ru/upload/file/spi_bioenergy_2021 .pdf.
3. Фарков А.Г. Потенциал использованияя биогаза в регионах аграрной специализации // Инженерный вестник Дона. 2013. №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1546.
4. Лисутина Л. А., Павлов А.В. Комплексная система управления отходами в Ростовской области // Инженерный вестник Дона. 2013. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1964.
5. Broughton M.J., Ghiele J.H., Birch E.J. et al. Anaerobic batch digestion of sheep tallow //Water Res. - 1998. - V.32, No5. - pp. 1423-1428.
6. Голубенко М.И., Биогазовая установка для сбраживания органических отходов сельскохозяйственного производства с получением биогаза // патент на изобретение RU2651940C1 14.07.2017. URL: yandex.ru/patents/doc/RU2651940C1_20180424.
7. Ямпилов С.С., Дьячковская Л.Н., Друзьянова В.П., Биогазовая установка// Патент на изобретение RU 2605312C1 27.05.2016. URL: patenton.ru/patent/RU2605312C1.
8. Ямпилов С.С., Друзьянова В.П., Кобякова Е.Н, Дьячковская Л.Н., Биогазовая установка // Патент на изобретение RU2567649C1 30.12.2014. URL: patenton.ru/patent/RU2567649C1.
9. Пирожникова А.П., Кулагин Д.В., Установка для переработки отходов сельскохозяйственной промышленности// Патент на изобретение RU2567649C1 16.02.2022. URL: patenton.ru/patent/ RU2567649C1
10. Беззубцева М.М., Волков В.С. К вопросу моделирования процесса перемешивания суспензий в электромеханических диспергаторах //Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2019. -№. 1 (54). - С. 112-118.
References
1. Eriksson P., Olsson M. The potential of biogas as Vehicle Fuel in Europe. A technological innovation systems analysis of the emerging bio methane technology. URL: publications lib.chalmers.se/records/fulltext/ 43365.pdf.
2. Tekhnologicheskaya Platforma «Bioenergetika». Strategicheskaya Programma Issledovanij-2021. Moskva. [Technology Platform "Bioenergetics" Strategic Research Program-2021.] URL: tp-bioenergy.ru/upload/file/spi_bioenergy_2021 .pdf.
3. Farkov A.G. Inzhenernyj vestnik Dona. 2013. №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1546.
4. Lisutina L. A., Pavlov A.V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2013. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1964.
5. Broughton M.J., Ghiele J.H., Birch E.J. et al. Water Res. - 1998. - V.32, No5.-P. 1423-1428
6. Golubenko M.I., Biogazovaya ustanovka dlya sbrazhivaniya organicheskih othodov sel'skohozyajstvennogo proizvodstva s polucheniem biogaza. Patent na izobretenie RU2651940C1 14.07.2017. [Biogas plant for fermentation of organic waste from agricultural production to produce biogas. Patent for the invention RU2651940C1 14.07.2017.] URL: yandex.ru/patents/doc/RU2651940C1_20180424.
7. Yampilov S.S., D'yachkovskaya L.N., Druz'yanova V.P., Biogazovaya ustanovka. Patent na izobretenie RU 2605312C1 27.05.2016. [Biogas plant. Patent for the invention RU 2605312C1 27.05.2016]. URL: patenton.ru/patent/RU2605312C1.
8. YAmpilov S.S., Druz'yanova V.P., Kobyakova E.N, D'yachkovskaya L.N., Biogazovaya ustanovka. Patent na izobretenie RU2567649C1 30.12.2014. [Biogas plant. Patent for the invention RU2567649C1 30.12.2014]. URL: patenton.ru/patent/RU2567649C1.
9. Pirozhnikova A.P., Kulagin D.V., Ustanovka dlya pererabotki othodov sel'skohozyajstvennoj promyshlennosti Patent na izobretenie RU2567649C1 16.02.2022. [Installation for processing agricultural industry waste. Patent for the invention RU2567649C1 02/16/2022.] URL: patenton.ru/patent/ RU2567649C1.
10. Bezzubceva M. M., Volkov V. S. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019. №. 1 (54). Pp. 112-118.
