CC BY
257
Р. Э. Хабибуллин, В. Н. Шарифуллин
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АНЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ
КУРИНОГО ПОМЕТА И ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАСЧЕТА БИОРЕАКТОРА
Ключевые слова: куриный помет, анаэробное метаногенное сбраживание, биогаз, биореактор, проектирование, технологический расчет, методика расчета.
Одной из наиболее эффективных энерго- и ресурсосберегающих технологий переработки органических отходов сельского хозяйства, пищевой и перерабатывающей отраслей промышленности является технология их метаногенного сбраживания. При разработке таких биотехнологий актуальной задачей является расчет основного аппарата - биореактора.
В статье приведены результаты исследования процесса анаэробного метаногенного сбраживания куриного помета, в результате которого были определены оптимальные значения удельной мощности на перемешивание и гидравлического времени пребывания субстрата.
Параллельно разрабатывалась инженерная методика технологического расчета основного аппарата - биореактора на основе выбранных критериев подобия, позволяющая определить основные конструктивные и технологические параметры промышленной биоэнергетической установки.
Полученные в лабораторных условиях численные значения критериев подобия были использованы при технологическом расчете биореактора для промышленной биотехнологии переработки помета производительностью 175 тонн в сутки.
Key words: Mcken manure, anaerobic methanogenic treatment, biogas, bioreactor, design,
technological evaluation, a design procedure.
Anaerobic methanogenic treatment of agricultural and food processing wastes is one of the most efficient energy- and resource-saving technologies. The constructive design of the basic device - bioreactor - is one of the main problem during such biotechnologies development and introduction.
The results of lab-scale anaerobic methanogenic treatment of chicken dung are presented. The optimal values of specific stirring energy and hydraulic retention time of substratum were calculated ias resulrs of this studies.
Simultaneously the engineering design procedure of bioreactor evaluation was created on the basis of specific stirring energy and hydraulic retention time as similarity criteria. This engineering design procedure allows to define the basic constructive and technological parameters of industrial bioenergy installation.
The numerical values of these similarity criteria received in lab-scale studies have been used at technological calculation of the bioreactor for anaerobic treatment of 175 tons chicken manure per day.
Предприятия агропромышленного комплекса и пищевой промышленности являются источниками мощного антропогенного воздействия на экосистемы и окружающую сре-
ду. Среди этих органических загрязнений особо выделяются в качестве наиболее крупнотоннажных - отходы животноводства, а именно навоз крупного рогатого скота и свиней, а в качестве наиболее экологически опасных - жидкий куриный помет. В условиях крупнотоннажного сельскохозяйственного производства возник ряд новых факторов, обусловивших отказ от традиционных способов их утилизации. Прежде всего, изменился их состав, что вызвано снижением объемов применения соломенной подстилки. Жидкие отходы обладают большей влажностью, высокой биологической активностью, содержат значительное количество бактерий, в том числе патогенных, всхожих семян сорняков, поэтому их переработка традиционными методами связана с большими затратами.
Одной из наиболее эффективных современных энерго- и ресурсосберегающих технологий переработки органических отходов является технология их метаногенного сбраживания с получением биогаза.
Эта технология имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными способами компостирования и аэробной обработки:
При аэробной очистке отходов образуется избыточный активный ил, в который переходит до 50% всей энергии исходного органического вещества, тогда как в анаэробных процессах до 90-95 % всей энергии субстрата аккумулируется в виде биогаза (метана) с энергетической ценностью (2,2 - 2,7) • 107Дж • м-3, что делает его энергоносителем, пригодным для использования с получением электроэнергии и тепла.
Потребность в энергии на аэрацию в аэробных процессах в 50 - 100 раз превышает затраты энергии на перемешивание в анаэробных условиях.
При аэробном компостировании навоза и помета происходит потеря до 30 % органического азота, а также части органического углерода, тогда как при анаэробной переработке навоза в биореакторе происходит минерализация соединений азота и фосфора, сохраняются лигнин и частично целлюлоза, что чрезвычайно важно для гумусообразования.
Оценивая сырьевой потенциал Российской Федерации, можно отметить, что общее количество коровьего и свиного навоза составляет около 350 млн. т, или около 58 млн. т сухого вещества (СВ), а их энергетический эквивалент - 17,5 млн. т условного топлива (УТ). По куриному помету эти показатели составляют соответственно 23 млн.т, 5,8 млн.т СВ и 1,5 млн. т УТ).
В масштабах Республики Татарстан эти цифры оцениваются следующими величинами: коровий навоз - 6,8 млн. т (1,3 млн. т СВ, 0,48 млн. т УТ), свиной навоз - 1,2 млн. т (0,2 млн. т СВ или 0,05 млн. т УТ), куриный помет - 0,5 млн. т (0,12 млн. т СВ или 0,03 млн. т УТ).
Таким образом, отходы сельского хозяйства и особенно животноводства способны внести заметный вклад в структуру энергопроизводства на федеральном и региональном уровне [1, 2]. Требует внимания также вопрос рационального использования жидких отходов и сточных вод пищевой и перерабатывающей промышленности [3, 4].
При разработке и внедрении промышленных биотехнологий такого рода актуальной задачей является задача расчета основного аппарата - биореактора. Для субстратов с достаточно высокой влажностью (более 70%) оптимальной представляется конструкция биореактора с гидравлическим перемешиванием. В то же время известно, что нет надежных общепринятых методик расчета струйных аппаратов с заглубленной струей [5, 6], в связи с чем разработка методики такого технологического расчета представляет собой актуальную научную задачу.
Целью настоящей работы являлась разработка инженерной методики технологического расчета основного аппарата - биореактора-метантенка.
В соответствии с устоявшейся практикой [6, 7] в качестве основных исходных критериев расчета реакторов с заглубленной струей были приняты следующие критерии подобия:
- удельная мощность на перемешивание Ыуд = idem;
- среднее время пребывания субстрата HRT = idem.
На базе этих основных критериев расчет биореактора производится по следующему алгоритму.
1. Определение рабочего объема биореактора (исходя из заданной производительности по перерабатываемому помету и оптимального времени пребывания):
Vp = Gn • HRT. (1)
2. Определение полного объема биореактора Vn (с учетом коэффициента запаса k):
Vn = Vp • k. (2)
3. Подбор габаритных размеров аппарата (исходя из принципа минимизации боковой поверхности аппарата или посадочной площади).
4. Определение диаметра диффузора.
Диаметр диффузора рассчитывался по условию осаждения частиц. Поскольку куриный помет представляет собой остатки непереваренных кормов (в основном зерна) с минеральными частицами (песком), имеет смысл рассматривать взвешенное вещество состоящим из двух фракций и условия осаждения для них рассчитывать раздельно с учетом их седиментационных характеристик.
- расчет критерия Архимеда для частиц органического вещества помета и минеральных (неорганических) частиц:
dHeopr (орг) * (р - р ж) * р ж * 9
Ar =----------------------------------- (3)
Нж
- определение скоростей осаждения органических частиц W0pr и минеральных частиц WMMH по формуле Стокса:
d неорг (орг) * (рорг (неорг) - р ж) * 9
W =-------------------------------------- (4)
18 • Нж
- при неламинарном режиме седиментации (т.е. в случае превышения критерием
Архимеда критического значения, равного 3,6), необходимо учитывать турбулизацию
ферментационной среды путем определения критерия Рейнольдса по справочным табли-
цам с последующим расчетом скорости осаждения по формуле:
Re * с
W =------------ (5)
^еорг (орг) * Нж
- расчет диаметра диффузора по линейной скорости движения жидкости в аппарате, обеспечивающей взвешенное состояние органических частиц при одновременном осаждении минеральных по условию:
Wоpг > W > Wнеоpг (6)
5. Расчет затрат энергии на перемешивание и мощности циркуляционного насоса.
- расчет мощности в одном аппарате с учетом оптимальной величины удельной мощности на перемешивание:
N = Ыуд * V (7)
- определение расхода циркулирующей жидкости:
N * 3600 • 0,95;
о =----------------------, (8)
рж • д • н
где 0.95 - КПД насоса,
Н - потери напора в аппарате, принимаем Н = 5 м.
- определение расхода рециркулирующей жидкости в диффузоре в зависимости от их количества:
0диф _ °/ПДИф1 (9)
где пдиф - число диффузоров
- проверка приведенной линейной скорости рециркулирующей жидкости в диффу-
зоре:
сти Т.
мена:
^циф = Одиф / (вдиф • 3600), (10)
- определение суммарных потерь напора:
Нполн _ Нап + Нтепл (11)
- расчет требуемой мощности насоса в установившемся режиме:
О • рж • д • Н
N = --------------------------- (12)
3600
- расчет мощности насоса ^уск в пусковой период:
1^уск = 2 • N (13)
- определение установочной мощности насоса ^ст с учетом КПД и запаса мощно-
Nуст = N • КПД / г (14)
6. Расчет теплообменного оборудования, включая требуемую поверхность теплооб-
- расчет теплового эффекта реакции метаногенеза ОХр:
°хр ~ Ссн4 • От • Vр, (15)
- определение потерь тепла в окружающую среду (максимальных)
Оп = Кт • Эбок • (Тр - То) (16)
- расчет энтальпий поступающего и отходящего потоков ферментационной среды:
Eвх, вых _ Ссут • Спом • ^, вых (17)
- расчет тепловой нагрузки:
0 _ Охр + °п + Евх - Евых (18)
- расчет ориентировочной поверхности теплообмена:
Р = 0/(Кт • (Тр-Тгр)) (19)
- расчет полной поверхности теплообмена с учетом коэффициента запаса ктепл:
Р полн _ Р • ктепл- (20)
Ранее были выполнены исследования процесса непрерывного термофильного (328 °К) сбраживания куриного помета влажностью 92,5 % в лабораторных условиях в биореакторе объемом 100 л с механической рамной мешалкой. Расчет интенсивности перемешивания вели по традиционной методике расчета аппаратов с механическим перемешивающим устройством [8], а гидравлическое время пребывания субстрата - по отношению объема биореактора и суточного объема перерабатываемого субстрата [9]. По результатам исследования процесса численные значения этих параметров составили соответственно
3 Вт-м"3 и 5 суток [10 - 12].
Параллельно разрабатывалась инженерная методика технологического расчета такого реактора, которая позволяет определить его основные технологические и конструктивные параметры с учетом характеристик материальных потоков перерабатываемого суб-
страта и оптимальных параметров технологического режима. Следует особо подчеркнуть, что при разработке такой методики не прорабатывались вопросы моделирования или масштабирования реактора, поскольку эти вопросы для химических и биохимических реакторов являются самостоятельной научной проблемой.
Эту методику использовали при технологическом расчете основного аппарата-биореактора для анаэробного сбраживания куриного помета от птицефабрики на 1 млн. голов кур-несушек.
Физико-химические и реологические характеристики сбраживаемого субстрата определялись в лабораторных условиях, равно как и по литературным данным.
Величина критерия Архимеда для частиц органического вещества помета с С = 0,3
3 2
мм, р0рГ = 1100 кг • м" , т = 0,002 н • с • м" составляет:
0,027 • 10-9 • 105 • 9,8
АГорг =----------------------------= 6
4 • 10-6
Значение критерия Архимеда находится в непосредственной близости от границы ламинарного режима осаждения частиц, соответствующей Аг = 3,6, поэтому воспользуемся формулой Стокса:
с12 • (р - р ж) • д 0,09 • 10-6 • (1100 - 1000) • 9,8
W0рГ =---------------------= -------------------------------------= 0,002 м^сек'1
18 • т 36 • 104
W0рГ = 2 • 10"3 м • сек"1.
Величина критерия Архимеда для минеральных частиц (С = 0,5 мм, рне0рГ = 1500 кг
"3
• м ) составляет:
0,125 • 10-9 • 1,5 • 105 • 9,8
Агнеорг =--------------------------------= 40
4 • 10-6
Так как величина критерия Архимеда превысила критическое значение критерия, равное 3,6, воспользовались для расчета соответствующим значением критерия Рейнольдса. По справочным таблицам нашли соответствующее значение Ре = 10, после чего определили скорость осаждения:
Ре • тс 10 • 2 • 10-3
^^неорг =------------ = --------------------= 0.04 м • с-1
С • р 0.5 • 10-3 • 103
Расчет показывает, что для поддержания частиц органического вещества во взвешенном состоянии при одновременном выпадении минеральных частиц в осадок линейная скорость движения жидкости в аппарате должна находиться в интервале значений от 2 • 10" до 4 • 10"2 м^сек"1.
Затраты энергии на перемешивание среды в одном аппарате:
N = ^ц • Ур = 3 • 700 = 2,1 кВт
Расход циркулирующей жидкости:
2.1 • 3600 • 0.95
О =----------------------= 147 м3 • ч"1
1 • 9,8 • 5
Расход рециркулирующей жидкости в одном диффузоре:
Оциф = О / 4 = 147 / 4 = 37 м3 • ч"1
Приведенная линейная скорость рециркулирующей жидкости в диффузоре:
^^диф = 37 / (3,14 • 3600) = 3 • 10"3 м • с"1
Сопоставление линейных скоростей движения жидкости в диффузоре и скоростей осаждения частиц органического вещества и минеральных частиц подтверждает выполнение условия пребывания частиц органического вещества во взвешенном состоянии при оседании минеральных частиц на дно аппарата.
Потери напора в теплообменнике приняты равными 5 м, тогда суммарные потери напора составляют:
Н = 5 + 5 = 10 м
Мощность насоса в установившемся режиме:
147 • 1000 • 9,8 • 10
N =----------------------------= 4 • 10 3 Вт
3600
и в пусковом режиме:
^уск = 2 • N = 8 • 10 3 Вт
Рассчитываем установочную мощность насоса с учетом КПД = 0,95 и запаса мощности 1,2:
^ст = 8.0 • 1.2 / 0,95 = 103 Вт.
При использовании одного общего рециркуляционного насоса на все четыре аппарата второй ступени установочная мощность составит:
= 4^103 Вт
Общий рабочий объем аппаратов первой и второй ступеней равен:
Ур = 600 • 5 / 5 = 600 м3
Рабочий объем аппаратов с учетом коэффициента запаса 1.15 составит:
Ур = 600 • 1.15 = 700 м3
По результатам подбора основных габаритных размеров получаем: диаметр аппарата С = 9 м, высота аппарата И = 11 м, высота сепарационного пространства И = 1 м, посадочная площадь биореактора Э = 64 м2.
Потери тепла в аппаратах второй ступени связаны с экзотермическим характером реакции метаногенеза и потерями в окружающую среду через стенки аппарата и выносное оборудование. Для компенсации тепловых потерь предназначены теплообменники рециркуляционного контура второй ступени. Расчет проводится с целью определения требуемой поверхности их теплообмена.
Определяем тепловой эффект реакции метаногенеза:
Охр = 2,35 • 108 Дж • ч-1.
Находим потери тепла в окружающую среду (максимальные):
Опот = 1000 • 310 • 50 = 1,55 • 107 кДж • ч-1.
Проверяем тепловой поток, подводимый теплоносителем:
Отепл = 147 • 4200 • 50 = 3,1 • 109 Дж • ч-1.
Таким образом, выбранный режим рециркуляции ферментационной жидкости обеспечивает как достаточную интенсивность перемешивания, так и подвод достаточного количества тепла для компенсации тепловых потерь.
Общая тепловая нагрузка в четырех реакторах второй ступени:
Ообщ = 2,35 • 108 + 1,55 • 107 = 2,51 • 108 Дж • ч"1.
Тепловая нагрузка на теплообменники одного биореактора составляет:
Отепл1 = 2,51 • 108 / 4 = 6,28 • 107 Дж • ч"1.
Ориентировочная поверхность теплообмена составляет:
Р = 6,28 • 107 / (470 • 25 • 3600) = 14,8 м2,
где Кт = 470 Дж •м"2 • °К "1 • с"1.
Средняя движущая сила теплопередачи:
Тгр " Тр = 353 - 328 = 25 °К, где 353 - средняя температура греющей воды, °К.
С учетом коэффициента использования площади 1,2 поверхность теплообмена составит:
Рполн = 14,8 • 1,2 = 17,8 м2 Заключение
На основании проведенных лабораторных исследований анаэробного биореактора для метаногенного сбраживания куриного помета была определено оптимальное значение удельной энергии на перемешивание, равная 3 Вт • м"3, а также минимальное гидравлическое время пребывания субстрата (НРТ), равное 5 суток.
Эти параметры были положены в основу методики инженерного расчета основного аппарата для переработки куриного помета - метаногенного биореактора, проводимого на основе критерия удельной введенной энергии на перемешивание.
При помощи этой методики проведен расчет реактора для биоэнергетической установки производительностью 175 т жидких отходов в сутки.
Основные условные обозначения Агорг, неорг - критерий Архимеда для органической (неорганической) фракции субстрата;
Спом - теплоемкость перерабатываемого помета, Дж- г" • °К" ;
dopr - средний диаметр частиц органического вещества помета, м;
dHeopr - средний диаметр частиц неорганического вещества помета, м;
EBXl вых - энтальпия входящего и выходящего потоков помета, Дж;
F - площадь теплообмена, м2;
F полн - полная площадь теплообмена, м2;
Ссут - расход загружаемого субстрата, м3-сут-1;
Gn - расход помета кг • ч"1;
g - ускорение свободного падения, м-с"2;
Gch4 - теплота образования метана, Дж-м"3- ч"1
НпОЛН - потери напора полные, м;
Нап - потери напора в аппарате, м;
Нтепл - потери напора в теплообменнике, м;
HRT - hydraulic retention time (гидравлическое время пребывания субстрата в биореакто-
ре), сут; Кт - коэффициент теплопередачи, м2 • °К;
k - коэффициент запаса при расчете объема биореактора;
ктепл - коэффициент запаса при расчете теплообменника;
Мж - вязкость жидкости, н • с • м"2;
пдиф - число диффузоров в аппарате;
N - общая мощность на перемешивание, Вт;
Nпуск - мощность насоса в пусковой период, Вт;
NycT - установочная мощность насоса, Вт;
Муд - удельная мощность (на перемешивание), Вт • м"3;
Ообщ _ общая тепловая нагрузка, Дж;
Одиф _ расход жидкости в диффузоре, м3 • с"1;
Опот - тепловые потери, Дж;
Отепл1 - тепло, подводимое теплоносителем к одному биореактору, Дж;
Охр - тепловой эффект химической реакции, Дж;
Re - критерий Рейнольдса;
S - посадочная площадь биореактора, м2; - площадь боковой поверхности реактора, м2;
S6oK
Эдиф - площадь сечения диффузора в биореакторе, м2;
Тр -температура жидкости в реакторе, °К;
Тф -температура греющей жидкости в теплообменнике, °К;
То _ температура окружающей среды, °К;
Т вх -температура помета входящего, °К;
Т вых -температура помета выходящего, °К;
V - объем биореактора, м3;
Vp - объем биореактора рабочий, м3;
Vn - объем биореактора полный, м3;
^Учиф - линейная скорость жидкости в диффузоре, м • с-1;
Wopr - линейная скорость седиментации органического вещества, м-с"1;
^^неорг - линейная скорость седиментации неорганического вещества, м • с"1
Рж - удельная плотность жидкости, кг • м-3; -3 - удельная плотность органического вещества помета, кг • м .
рорг
рнеорг - удельная плотность неорганического вещества помета, кг • м"3;
Z - запас мощности при расчете мощности насоса.
Литература
1. Хабибуллин, Р.Э. Энерго- и ресурсосберегающая технология анаэробной переработки куриного помета / Р.Э. Хабибуллин, А.М. Петров //Материалы 5-й Межрег. Науч.-практ. конф. «Промышленная экология и безопасность». - Казань, 9 сентября 2010 г.
2. Холин, К.В. Физико-химический и биохимический анализ биогазовых субстратов и их практическая значимость / К.В. Холин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. № 2. С. 457-464.
3. Хабибуллин, Р.Э. Энергетический потенциал сточных вод пищевых производств Республики Татарстан в процессе их анаэробной очистки / Р.Э. Хабибуллин [и др.] // Сб. тез. 2-го Межд. Конгресса-Партнеринга по биотехнологии и биоэнергетике «ЕвразияБио-2010». - М.:2010. - С.201-202.
4. Сироткин, А.С. Биосорбционные технологии очистки сточных вод / А.С. Сироткин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 6. - С. 65-75.
5. Виестур, У.Э. Системы ферментации / У.Э.Виестур, А.М.Кузнецов, В.В. Савенков - Рига: Зи-натне, 1986. - 174 с.
6. Винаров, А.Ю. Оптимизация технологического проектирования биотехнологических систем / А.Ю.Винаров, Е.А. Семенова // Биотехнология. - 1987. - Вып. 1. - С. 90 - 96.
7. Shuegerl, K. Bioreaktionstechnik. Band 2: Bioreaktoren und ihre Charakterisierung. Salle und Saver-lander. - Frankfurt am Main. - 1991.
8. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А. Носков. - Л., Химия,1987. - 576с.
9. Калюжный, С.В. Анаэробная биологическая очистка сточных вод / С.В. Калюжный, Д.А. Данилович, А.Н. Ножевникова - М.: ВИНИТИ,. - Т.29. 1991. -187 с.
10. Хабибуллин, Р.Э. Технологические аспекты анаэробной переработки отходов птицеводства / Р.Э.Хабибуллин, Н.И.Крылова, Р.П.Наумова // Биотехнология. -1995. - № 1-2. - С. 43 - 46
11. Хабибуллин, Р.Э. Хабибуллин Р.Э., Шарифуллин В.Н. Анаэробный биореактор для очистки сточных вод пищевой промышленности / Р.Э.Хабибуллин, В.Н. Шарифуллин Материалы межрег. Науч.-практ. конф. - Казань, 5-8 июня 1996 года.
12. Хабибуллин, Р.Э. Исследование и разработка интенсивной биотехнологии анаэробной переработки куриного помета: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук / Р.Э.Хабибуллин. 1995. - 16 с.
© Р. Э. Хабибуллин - канд. техн. наук, доц. каф. технологии пищевых производств КГТУ,
[email protected]; В. Н. Шарифуллин - сотр. Казан. госуд. энергетического ун-та.
