CC BY
1С.С. Ямпилов, д-р. техн. наук, проф., e-mail: yampilovss@mail.ru Е.Н. Кобякова, аспирант, e-mail: elenakorvalio@gmail.com Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ В.П. Друзьянова, канд. техн. наук., доц., e-mail: Druzvar@mail.ru Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, г. Якутск
УДК 66.098.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫХОДА БИОГАЗА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ МЕЗОФИЛЬНОГО РЕЖИМА В БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВКАХ МАЛОГО ОБЪЕМА
В статье приведены результаты исследований по выходу биогаза из навоза крупного рогатого скота при различных температурах мезофильного режима анаэробного сбраживания. Полученные данные являются основой для выбора оптимальной температуры сбраживания в биогазовой установке малого объема (0,7 м3) применительно для малых животноводческих хозяйств. В работе приведены основные параметры биогазовых установок, а также данные по количеству ежегодно выделяемого навоза крупного рогатого скота в Российской Федерации. В результате проведенных лабораторных исследований были получены показатели по выходу биогаза в литрах из установки в сутки и по выходу биогаза в м3 из 1 кг органически сухого вещества. Ввиду применения данной технологии в малой биогазовой установке объемом 0,7 м3 температура 32°С является наиболее рациональной по соотношению затрат на теплоэнергию и выход биогаза.
Ключевые слова: биогаз, биогазовая установка, температура, анаэробное сбраживание, крупный рогатый скот, мезофильный режим сбраживания, органически сухое вещество.
S.S. Yampilov, Dr. Sc. Engineering, Prof.
E.N. Kobyakova, P.G.
V.P. Druzyanova, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
THE RESEARCH OF BIOGAS EXIT AT DIFFERENT TEMPERATURES OF THE MESOPHILIC REGIME IN THE SMALL VOLUME BIOGAS INSTALLATIONS
The article provides the results of studies of biogas exit from manure of cattle at various temperatures of mesophilic mode of an anaerobic fermentation. The obtained data are the basis for the choice of the optimal temperature for fermentation in the small volume biogas installation (0,7 m3) applicable for small livestock farms. The paper presents the basic parameters of biogas installations. It gives some data on amount of annually emitted manure of cattle. As the result of the conducted laboratory researches indicators on a biogas exit in liters from installation per day and on a biogas exit in m3 from 1 kg of organic dry substance have been received. As this technology is used in a small biogas installation with capacity of 0.7 m3, so temperature of 32 °C is the most rational based on the ratio of costs of heat power and to a biogas exit.
Key words: biogas, biogas plant, temperature, anaerobic fermentation, cattle, mesophilic fermentation regime, organic dry substance.
Введение
Производство биогаза зависит от многих рабочих параметров. Любое быстрое изменение этих параметров может неблагоприятно повлиять на производство биогаза. К основным параметрам биогазовых установок относятся температура, перемешивание, влажность загружаемого субстрата, значение pH среды, содержание абсолютно сухого вещества (оСВ), продолжительность сбраживания, режим заполнения метантанка [1, 3-5].
Согласно литературным данным, поддержание оптимальной температуры сырья внутри биогазовой установки является одним из важнейших факторов процесса анаэробного сбраживания [2-5]. Поскольку в природных условиях образование биогаза происходит при температурах от 0 до 97 °С, но с учетом оптимизации процесса переработки органических отходов
посредством биогазовой технологии выделяют 4 температурных режима: психрофильный (1025 °С), мезофильный (25-40 °С), термотолерантный (40-45 °С) и термофильный (50-60 °С).
В России ежегодный прирост биомассы в виде отходов крупного рогатого скота составляет 343307320 т [6]. Ввиду отсутствия способов обезвреживания получаемого навоза и сложности их внедрения большая часть отходов разлагается естественным способом, выделяя при этом закись азота и метан в огромных количествах.
Для переработки отходов малых животноводческих ферм была изготовлена и запатентована биогазовая установка объемом 0,7 м3 [7]. В данной установке для наиболее оптимального соотношения энергозатрат на выход биогаза был выбран мезофильный температурный режим анаэробного сбраживания. В данной работе приведены исследования по выбору рациональной температуры мезофильного режима в биогазовой установке объемом 0,7 м3.
Оборудование, материалы и методы исследования Оборудование. Исследование было проведено с 25.11.2015 по 29.01.2016 на базе университета Хойенхайм в Институте агротехники и биотоплива (Германия).
Для работы были использованы 15 горизонтальных биогазовых лабораторных установок объемом 17 л каждая (рис. 1).
Рисунок 1 - Внешний вид лабораторных установок объемом 17 л
Каждая установка состоит из горизонтально расположенного цилиндра объемом 17 л, подогрев которой осуществляется с помощью водяной рубашки, циркулируемой с помощью водяного котла с регулируемой температурой. Установки имеют патрубок для загрузки сырья в передней части и выгрузочный патрубок с регулируемой высотой в задней части установки. Перемешивание осуществляется с помощью электрического привода с частотой вращения 60 об./мин в непрерывном режиме (5 мин перемешивания через каждые 5 мин простоя). Все установки имеют теплоизоляционную стенку из ПВХ-материала. Установки снабжены системой измерения газа, работающей следующим образом: из установки по гибким газовым трубам газ проходит в пластиковый герметичный газгольдер через водяной фильтр, предназначенный для охлаждения газа и предотвращения конденсата в газгольдере. Объем произведенного газа и его состав измеряются с помощью автоматической компьютерно-мониторинговой системы. Данная система включает в себя сенсоры для определения объема СЩ, СО2 и H2S, а также датчики температуры и давления.
Материал для исследований - свежий навоз крупного рогатого скота без различных примесей и добавления энергетических культур.
Методика проведения исследований. Исследование проводилось при мезофильном температурном режиме, при температурах: 24 °С в течение 60 дней; 32 °С в течение 60 дней и
40° С также в течение 60 дней. Исследования проводились одновременно, на каждую температуру пришлось по 5 установок. Лабораторные исследования проводились по показателям, которые представлены в таблице.
Таблица
Показатели лабораторного исследования
Показатель Установки 1-5 Установки 6-10 Установки 11-15
Температура 24 °С (±1 °С) 32 °С (±1 °С) 40 °С (±1 °С)
Объем установки 17 л 17 л 17 л
Кол-во ежедневно загружаемого сырья 600 мл 600 мл 600 мл
Влажность загружаемого сырья 92-96% 92-96% 92-96%
Время ежедневной загрузки 10:00 (±1 ч) 10:00 (±1 ч) 10:00 (±1 ч)
Кол-во дней до полного сбраживания субстрата в установке 28 28 28
Перемешивание каждые 5 мин, 60 об./мин каждые 5 мин, 60 об./мин каждые 5 мин, 60 об./мин
Содержание оСВ в СВ 75-80% 75-80% 75-80%
Уровень рН среды 6,8-8 6,8-8 6,8-8
Общая продолжительность эксперимента 60 дней 60 дней 60 дней
Чтобы избежать разногласия в получаемых данных, необходимо тщательно определить ежедневно загружаемое сырье, которое зависит от содержания органически сухого вещества в субстрате. Данное соотношение было определено с помощью формулы [8]:
г п ойМ „ ч
оШ = — (1)
где оЬЯ - органическая норма загрузки субстрата, %; оБМ - содержание органически сухого вещества в сухом веществе, %; Ь - объем установки, л.
Количество дней полной переработки субстрата в установке было определено по следующей зависимости [8]:
О = (2)
оШ' 4 '
где Б - оптимальное количество дней, необходимое для полной переработки субстрата; -объем реактора, л; оЬЯ - органическая норма загрузки субстрата, л.
В биогазе помимо метана, углекислого газа и сероводорода содержатся еще и водяные пары, содержание которых зависит от атмосферных условий и может изменяться в широких пределах в зависимости от температуры. Для того чтобы рассчитать чистое содержание биогаза, использовали методику, которая была разработана на базе университета Хойенхайм [8]:
(3)
где Ун - объем сухого газа при нормализованных условиях, л; Ук - значение объема биогаза, полученное с АКМС, л; р - давление газа, полученное в момент измерения с АКМС, гПа; рщ -давление паров воды в биогазе, гПа; р0 - нормальное давление, ро = 1013,25 гПа; Т0 - нормальная температура, То = 273 К; Тк - температура биогаза, К.
Давление водяных паров [8] в биогазе определяется по формуле
17,08085 Тд
рш = 6,1-ехр-. (4)
г™ > к 234,175+Ти к '
Результаты исследования
В результате проведенных лабораторных исследований были получены показатели по выходу биогаза в литрах из установки в сутки и по выходу биогаза в м3 из 1 кг органически сухого вещества (рис. 2, 3).
25
О
1 3 5 7 Э 1113 15 17 19 2123 2 5 17 29 31 33 35 3 7 39 41 43 45 47 49 51 53 5 5 57 5 9 ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ СБРАЖИВАНИЯ, СУТКИ
з:°с 40°С -«-241С —*-Зв"С
Рисунок 2 - Выход биогаза из лабораторных установок в зависимости от температуры, л
По результатам проведенных исследований был построен график по выходу биогаза (рис. 2). Выход биогаза во всех установках протекал по-разному, на рисунке 2 представлены усредненные данные по группам установок исходя из температуры мезофильного режима, соответственно 24, 32 и 40 °С. Как видно из рисунка 2, с 1-го по 32-й день идет одинаковый выход биогаза во всех трех температурных группах, это связано с тем, что данный период протекал при температуре 36°С во всех установках и являлся подготовительным. В этот период идет установление одинаковых основных параметров, таких как температура, уровень рН среды, количество ежедневно загружаемого субстрата, содержание органически сухого вещества и других параметров. Начиная с 32-го дня идет смена температурного режима, представленного на графике скачком диаграммы. Как видно на графике, наиболее высокий показатель по выходу биогаза составил 21 л из установок при температуре 40 °С. Самый наименьший показатель - у установок, работающих при температуре 24 °С - 4,5 л. При температуре 32 °С средний показатель выхода биогаза составил 16 л. Следует отметить, что при температуре 32 и 40 °С наблюдается равномерный выход биогаза из установок, тогда как в установках с температурой 24°С наблюдается скачкообразный выход биогаза.
0,0:
0,00
1 3 5 7 9 11 13 13 17 19 21 23 2? 2 7 29 31 33 3 5 3 7 39 41 45 43 4 7 49 31 33 55 5 7 3 9 ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ СКРАЖИВАНИЯ, СУТКИ
32°С -40СС -*-24=С -»-Зб°с
Рисунок 3 - Выход биогаза из лабораторных установок в м3 из 1 кг органически сухого вещества в зависимости от температуры, м3/кг оСВ
На рисунке 3 представлен график по выходу биогаза в м3 из 1 кг органически сухого вещества. Как видно из графика, наиболее высокий показатель при температуре 40 °С
(0,32 м3/кг оСВ). При температуре 32 °С средний выход биогаза составил 0,20 м3/кг оСВ, при температуре 24 °С этот показатель равен 0,11м3/кг оСВ.
Заключение
Таким образом, согласно проведенным исследованиям, наибольший выход биогаза в литрах, а также в м3/кг оСВ приходится на температуру 40 °С. При протекании анаэробного процесса переработки свежего навоза крупного рогатого скота без добавления примесей и энергетических культур при температуре 24 °С наблюдается неравномерный выход биогаза, что свидетельствует о неинтенсивной работе метаногенных бактерий при данной температуре. В виду применения данной технологии в малой биогазовой установке объемом 0,7 м3, температура 32 °С является наиболее рациональной по соотношению затрат на теплоэнергию и выход биогаза.
Библиография
1. Santosh Ya., Sreekrishnan T.R. [et al.]. Enhancement of biogas production from solid substrates using different techniques - a review // Journal of Bioresource Technology. - 2004. - N 95. - P. 1-10.
2. Kobiakova E., Yampilov S., Druzyanova V. The study of biogas production from fresh cow manure at different temperature models // Proceedings of the 10th International scientific conference «European Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences», (February 02, 2016). - Vienna, 2016. - Р. 130-135.
3. КараеваЮ.В. Биогазовые технологии: курс лекции. - Казань, 2013. - С. 61.
4. Друзьянова В.П. Энергосберегающая технология переработки навоза крупного рогатого скота: дис. ... д-ра техн. наук. - Улан-Удэ, 2015. - 273 с.
5. Urmila Balasubramaniyam, Llionel S. Zisengwe, Niccolo Meriggi et al. Biogas production in climates with long cold winters // Wageningen University, the Netherlands. - 2008, May. - P. 68.
6. Кобякова Е.Н., Ямпилов С.С., Друзьянова В.П. Обоснование применения перемешивающего устройства в биогазовой установке для малых животноводческих хозяйств // Вестник Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления. - Улан-Удэ, 2014. - № 4. - С. 13-19.
7. Патент на изобретение № 2540326, Российская Федерация, МПК С 02F 11/04. Биогазовая установка / Ямпилов С.С., Друзьянова В.П., Кобякова Е.Н., Спиридонова А.В. Опубл. 10.02.2015. - Бюл. № 4.
8. MathieuBrule.The effect of enzyme additives on the anaerobic digestion of energy crops: Dissertation, Dr. sc. agr. / Ph. D. in Agricultural Sciences, Faculty of Agricultural Sciences; University of Hohenheim. - 2014, November. - Р. 193.
Bibliography
1. Santosh Ya., Sreekrishnan, T.R. [et al.]. Enhancement of biogas production from solid substrates using different techniques - a review // Journal of Bioresource Technology. - 2004. - N 95. P. 1-10.
2. Kobyakova E., Yampilov S., Druzyanova V. The study of biogas production from fresh cow manure at different temperature models // Proceedings of the 10th International scientific conference «European Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences», (February 02 2016). - Vienna, 2016. - P. 130-135.
3. Karaeva Yu.V. Biogas technologies // Course of lectures. - Kazan, 2013. - 61 p.
4. Druzyanova V.P. Energy-efficient technology for processing of cattle manure: dis. ... Dr. Engin. Sc. / V.P. Druzyanova. - Ulan-Ude, 2015. - 273 p.
5. Urmila Balasubramaniyam, Llionel S. Zisengwe, Niccolo Meriggi et al. Biogas production in climates with long cold winters // Wageningen University, the Netherlands. - 2008, May. - P. 68.
6. Kobyakova E.N., Yampilov S.S., Druzyanova V.P. Rationale for the use of the mixing device in a biogas plant for small livestock farms // Bulletin of ESSUTM. - Ulan-Ude, 2014. - N 4. - P. 13-19.
7. Patent for an invention. N 2540326, Russian Federation, IPC C 02F 11/04. Biogas installation / Yampilov S.S., Druzyanova V.P. Kobyakova E.N., Spiridonova A.V. Publ. 02/10/2015 - Bull. N 4.
8. Mathieu Brule. The effect of enzyme additives on the anaerobic digestion of energy crops // Dissertation: Dissertation, Dr. sc. agr. / Ph. D. in Agricultural Sciences, Faculty of Agricultural Sciences; University of Hohenheim. - 2014, November. - P. 193.
