CC BY
64
УДК 631.1.004.18:636.22/28
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕАКТОРА-МОДУЛЯ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК БЛОЧНО-МОДУЛЬНОГО ТИПА
Д.А. Ковалев
Произведен расчет потребности в энергии на собственные нужды биогазовой установки блочно-модульного типа при мезофильном и термофильном температурных режимах. Обоснован выбор термофильного температурного режима сбраживания с точки зрения качества обеззараживания навоза, а также выбраны массогабаритные показатели модульного реактора с целью обеспечения удобства изготовления, транспортировки, монтажа оборудования и его дальнейшего усовершенствования.
Ключевые слова: термофильный режим, биогазовая установка, обеззараживание навоза.
В настоящее время в мировой практике для утилизации навоза получили широкое распространение биогазовые установки. Эти установки обрабатывают навоз и навозные стоки в анаэробных условиях, а продуктами их переработки являются биологический газ и высококачественные органические удобрения. Обобщенная схема работы биогазовой установки показана на рисунке 1.
Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных бактерий и метанобразующих превращаются в газообразные продукты - метан и углекислоту. Одновременно при сбраживании навоза обеспечивается его дезодорация, дегельминтизация, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую растениями форму.
Рис. 1. Обобщенная схема работы биогазовой установки: 1 - ферма; 2 - навозоприемник; 3 - насос; 4 - метантенк; 5 - газгольдер; 6 - теплообменник;
7 - котел; 8 - навозохранилище
|оигпа1 оГ УШ1М7И №4(12)-2013
173
Однако существующие конструкции биогазовых реакторов для обработки навоза и навозных стоков имеют ряд существенных недостатков: значительный объем реактора, вследствие чего необходимо проведение большого объема НИР и ОКР, а также значительных затрат на изготовление и монтаж оборудования; длительный период запуска, связанный с необходимостью накопления требуемого количества биомассы; высокая чувствительность системы к внешним воздействиям, поскольку обработка происходит в одном объеме; низкая производительность, связанная с неэффективным тепло и массообменном; низкая ремонтопригодность, т.е. при ремонте требуется остановка всей системы.
Решить указанные недостатки позволит предлагаемая новая архитектура построения биогазовых установок, основанная на блочно-модульном принципе.
Суть этого принципа заключается в делении требуемого объема реакторного пространства на наиболее эффективные объемы, отвечающие следующим критериям: эффективный тепло- и массообмен в выбранном температурном режиме обработки; массогабаритные показатели с точки зрения удобства транспортировки и монтажа в хозяйственных условиях; количество навоза подвергаемого анаэробной переработке.
Главным звеном биогазовой установки является реактор для сбраживания навоза, потребный объем которого определяется суточным выходом навоза из животноводческой фермы, температурой и продолжительностью обработки.
В свою очередь, суточный выход навоза зависит от вида и поголовья животных или птицы и в соответствии с принятыми нормами СНиП может составить от 2 до 200 т в сутки для ферм от 50 до 5000 условных голов КРС.
Так для наиболее распространенного в России типа фермы КРС на 400 голов общий объем отходов подаваемых на обработку может составлять от 20 до 30 м в сутки. Для анаэробной переработки такого количества отходов потребуется строительство реактора объёмом от 300 до 600 м в зависимости от времени пребывания субстрата в реакторе, которое в свою очередь зависит от температурного режима обработки и составляет 10 суток при термофильном режиме и 21 суток при мезофильном [4].
С целью уменьшения объема реактора, а следовательно и капитальных затрат, увеличения выхода биогаза, обеспечения санитарных норм по обеззараживанию навоза и снижения затрат энергии на собственные нужды установки следует принять термофильный режим обработки (Т=550С). Из опыта применения метантенков в нашей стране, а также из результатов исследований известно, что методы мезофильной (анаэробной и аэробной) стабилизации осадка не обеспечивают необходимого снижения патогенных бактерий и яиц гельминтов. Об этом же свидетельствуют и зарубежные данные. Так, исследования, проведенные в Швеции, показали, что сальмонеллы присутствуют в 74% проб сырого осадка, в 70% проб избыточного ила и в 20% проб сброженного в мезофильных условиях осадка (число проб каждого осадка равно 190). Таким образом, при мезофильном сбраживании количество сальмонелл снижается на 70% [1].
При мезофильном сбраживании количество патогенных энтеробактерий может даже увеличиваться. По данным Кёзер [2], после четырехнедельного сбраживания осадок был заражен сальмонеллами в 2 раза больше, чем сырой (они обнаруживались в 90% проб сброженного осадка, а в сыром - в 45% проб). Термофильное сбраживание дает значительно более высокий санитарно--гигиенический эффект. Об этом свидетельствует опыт работы московских станций аэрации. В таблице 1 приведены данные по влиянию мезофильного и термофильного анаэробного сбраживания на уменьшение в осадке численности сальмонелл и туберкулезных бактерий [1]. Также термофильный режим является более выгодным и в энергетическом отношении. Сравнительный анализ затрат энергии на собственные нужды биогазовой установки блочно-модульного типа при обработке 10 т навоза КРС в сутки представлен в таблице 2.
Таблица 1. Влияние анаэробно сброженного осадка на эффективность
его обеззараживания [3]
Осадок Уменьшение относительно исходного осадка, %
Сальмонеллы Туберкулезные бактерии
Мезофильно сброженный 50-70 45
Термофильно сброженный 85-95 100
Мезофильно сброженный и подсушенный в течение: 14 сут 60-80 21
30 сут 60-90 51
Таблица 2. Сравнение затрат энергии на собственные нужды биогазовой установки при мезофильном (1) и термофильном (2) температурных режимах обработки
Параметр Ед. изм. среднее за отопительный период среднее за неотопительный период среднегодовое
Температура наружного воздуха tв 0С -3,1 11,3 4,1
Температура исходного субстрата и 0С 4 16 10
Теплота на нагрев всех суточных доз Qн1 кВт*ч 7971,81 5072,97 6522,39
Qн2 кВт*ч 5866,7 4486,3 5176,5
Теплота на компенсацию теплопотерь за время удержания Qк1 кВт*ч 1311,117363 840,2921755 1075,704769
Qк2 кВт*ч 827,2459272 622,2142344 577,9743864
Теплота с уходящим биогазом Qг1 кВт*ч 73,024105 46,800985 59,912545
Qг2 кВт*ч 79,28390556 59,63350556 69,45870556
Теплота на собственные нужды Qсн1 кВт*ч 9355,951468 5960,063161 7658,007314
Qсн2 кВт*ч 6773,229833 5168,14774 5823,933092
Электроэнергия на собственные нужды Есн1 кВт*ч 462 462 462
Есн2 кВт*ч 110 110 110
Отношение Qсн1/Qсн2 - 1,3813 1,1532 1,3149
Отношение Есн1/Есн2 - 4,2 4,2 4,2
Journal of VNИMZH №4(12)-2013
175
При подаче сжатого газа в метантенке повышается концентрация растворенной углекислоты, которая, являясь акцептором водорода, снижает его парциальное давление и тем самым улучшает условия жизнедеятельности ацета-тразлагающих метаногенов, в результате чего повышается выход метана. При повышении концентрации СО2 может быть увеличена нагрузка на метантенк. Повышение концентрации углекислоты может быть достигнуто введением топочных газов, а также повышением давления в метантенке.
В работе, выполненной в МИСИ [5], показано, что для эффективного протекания процесса брожения необходимо поддерживать некоторое предельное минимальное соотношение между общим количеством растворенной углекислоты и массой органического вещества загружаемого осадка, равное 1:40. Для этого необходимо уменьшить отток газообразной углекислоты и повысить количество растворенной углекислоты одним из указанных выше методов. Поднимая давление в метантенке до 0,15 МПа, можно обеспечить хорошие показатели термофильного сбраживания при более высоких (в 2-3 раза) нагрузках
"5
(13,5-18 вместо 6 кг/м сут). Этот прием может оказаться эффективным при сбраживании высококонцентрированных осадков [1].
По массогабаритным показателям объем реактора модуля должен вписываться в разрешенные транспортные габариты, наиболее оптимальным является использование емкостей на базе контейнеров морского типа длиной 40 футов или 12 м. Применение рамной конструкции значительно упрощает доставку, монтаж и теплоизоляцию установки. Полный объём такого реактора составит 60 м , что позволит обрабатывать до 6 т бесподстилочного навоза КРС в сутки при коэффициенте заполнения 0,85 и термофильном режиме сбраживания. Также использование реактора такого объема позволит применить вышеизложенные методы интенсификации процесса анаэробной Щ обработки, не выходя за ограничения Гостех-
надзора по сосудам, работающим под давлением. Принципиальная схема предлагаемого реактора-модуля представлена на рисунке 2.
_| ^Виогаз
к потребителю
ш
/0
.....
■ ... ... ... ... ... ... ... ... . .■
Ч- "Л -Л "Л ■■ "У
> ■": л? Л" Л- Л- -V ■ ■; ■; ■;
0
Рис. 2. Принципиальная схема модульного реактора: 1 - корпус биореактора; 2 - устройство загрузки; 3 - подача и отвод теплоносителя; 4 - несущая рама; 5 - устройство выгрузки; 6 - теплообменник; 7 - эжектор; 8 - теплоизоляция; 9 - патрубок подвода перемешивающего агента
Выводы
1. Термофильный режим сбраживания отвечает требованиям по обеззараживанию навоза и энергетической эффективности процесса, среднегодовые затраты тепловой энергии на собственные нужды установки при термофильном режиме меньше в 1,3 раза чем при мезофильном.
"5
2. Объем реактора 60 м вписывается в разрешенные транспортные габариты и рекомендуется для изготовления реакторов модулей на базе контейнеров морского типа (40 футов), что обеспечит удобство транспортировки и монтажа оборудования.
3. Конструктивные особенности предложенного реактора модуля позволяют осуществлять в нем эффективное перемешивание посредством рециркуляции биогаза и повысить его производительность за счет повышения давления в реакторном пространстве до 0,15 МПА, не выходя за ограничения Гостехнадзора по сосудам, работающим под давлением.
Литература:
1. Гюнтер Л.И., Гольдфарб Л.Л. Метантенки. М.: Стройиздат,1991.
2. ТуровскийИ.С. Обработка осадков сточных вод. М.: Стройиздат, 1988. 256с.
3. Strauch D. Mikrobiologische Untersuchungen zur Hygieni - sierung von Klarschlamm // GWS-Wasser-Abwasser. 1980. №3. S. 115-120.
4. Отчеты лаборатории биоэнергетических установок ГНУ ВИЭСХ за 2001-2006 гг.
5. Водоснабжение и санитарная техника. 1967. №3. С. 11.
Ковалев Дмитрий Александрович, кандидат технических наук, заведующий отделом ГНУ Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии Тел. 8-910-456-16-52 E-mail: kovalev_da80@mail.ru
The calculation of energy needs for its own needs biogas installation of modular type at mesophilic and thermophilic temperatures. The choice of the thermophilic fermentation temperature from the point of view of quality of disinfection of manure, as well as selected dimensions and weight modular reactor to ensure ease of manufacturing, transportation and installation of the equipment and its further improvement. Keywords: thermophilic regime, biogas plant, disinfection of manure.
Journal of VNIIMZH №4(12)-2013
177
