CC BY
82
УДК 631.1.004.18:636.22/28
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАГРЕВА ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ ПЕРЕД АНАЭРОБНОЙ
ОБРАБОТКОЙ
Д.А. Ковалев, кандидат тенических наук А.А. Ковалев, кандидат тенических наук Ю.А. Собченко, ведущий специалист ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: kovalev_ana@mail.ru
Аннотация. Рассмотрен наиболее энергоемкий процесс при анаэробной обработке жидких органических отходов - процесс предварительного нагрева субстрата. Показана структура выработки и потребления полученного в процессе анаэробной обработки биогаза для установки с рабочим объемом 60 м3. Приведена технологическая схема установки с комбинированной системой предварительного нагрева субстрата, включающей в себя нагрев от теплообменника, использующего отбросную теплоту эффлюента, и нагрев с помощью СВЧ излучения. Приведено описание работы разработанной установки. Показаны результаты экспериментальных исследований по определению скорости нагрева, проведенных на разработанной установке с комбинированной системой предварительного нагрева субстрата. Приведен график зависимости температуры субстрата от времени обработки субстрата в разработанной установке при различных режимах. Показаны удельные затраты электроэнергии на предварительный нагрев субстрата при различных режимах.
Ключевые слова: анаэробная обработка, жидкие органические отходы, СВЧ-излучение.
Одним из путей рациональной утилизации бесподстилочного навоза КРС является его анаэробное сбраживание, которое обеспечивает обезвреживание навоза и сохранение его как обеззараженного высококачественного органического удобрения при одновременном получении биогаза, содержащего около 70% метана. Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных бактерий и метаноб-разующих превращаются в газообразные продукты. Чрезвычайно важна утилизация биомассы в сельском хозяйстве, где на различные технологические нужды расходуется большое количество топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях.
Несмотря на многолетнее применение биогазовых установок и еще более длительный период исследований протекающих в них процессов, наши представления об ос-
новных его закономерностях и механизмах отдельных стадий недостаточны, что определяет в ряде случаев низкую эффективность работы биогазовых установок, не позволяет в необходимой степени управлять их работой, приводит к неоправданному завышению строительных объемов, увеличению эксплуатационных затрат и соответственно стоимости 1 м3 получаемого биогаза. Это выдвигает народно-хозяйственные задачи по разработке наиболее эффективных технологических схем биогазовых установок, состава их оборудования, созданию новых конструкций и расчету их параметров, повышению надежности их работы, снижению стоимости и сроков строительства, что является одними из актуальных проблем при решении вопроса энергообеспечения объектов сельскохозяйственного производства. В технологической схеме действия биогазовой установки наиболее энергозатратным процессом является нагрев субстрата, подаваемого в биореактор, до температуры процесса.
Механизация, автоматизация и машинные технологии в животноводстве
Основными затратами энергии для нужд биогазовой установки являются затраты тепловой низкопотенциальной энергии для поддержания теплового режима биогазовой установки. При использовании современных теплоизоляционных материалов на первое место выходят затраты теплоты на нагрев суточной дозы загрузки до температуры процесса. На рис. 1 показаны расчетные выработка и потребление биогаза на собственные нужды биогазовой установки с рабочим объемом 60 м3, работающей в термофильном режиме. Биогазовая установка имеет теплоизоляцию из минеральной ваты толщиной 300 мм. Установка расположена в Московской области. Суточная доза загрузки составляет 10% от рабочего объема метантенка и равна 6 м навоза КРС с влажностью 92% [1].
Как видно из рисунка 1, основные затраты энергии в биогазовой установке идут на нагрев суточной дозы загрузки, и только до 40% образующегося биогаза может быть использовано для других целей [1].
Для повышения эффективности предварительного нагрева субстрата нами предлагается использовать комбинированную систему подогрева субстрата, включающую подогрев от теплообменника, использующего отбросную теплоту эффлюента, и подогрев с помощью СВЧ излучения. Технологическая схема установки представлена на рис. 2. Установка работает следующим образом.
Выработка и потребление биогаза
3%
Выработанный товарный биогаз
40% ■ Потребление
биогаза на нагрев суточной дозы
57% ^ Потребление
биогаза на компенсацию теплопотерь
Рис. 1. Структура выработки и потребления биогаза
В биорсактор
Рис. 2. Технологическая схема установки для предварительного нагрева исходного субстрата
перед анаэробной обработкой: 1 - емкость; 2 - магнетрон; 3 - излучатель; 4 - диэлектрическая вставка; 5 - блок управления; 6 - датчик температуры; 7 - теплообменник-нагреватель; 8 - циркуляционный насос; 9 - трехходовой клапан
В емкость 1 через патрубок подается исходный субстрат в объеме суточной дозы загрузки биореактора, затем включается насос циркуляции 8, обеспечивающий интенсивное перемешивание субстрата, теплообменник 7 и устройство для СВЧ-облучения, состоящее из магнетрона 2, излучателя 3, диэлектрической вставки 4, блока управления 5 и датчика температуры 6. После достижения температуры процесса, определяемой по датчику 6, происходит переключение трехходового клапана 9 в положение загрузки биореактора. По данной схеме работала экспериментальная установка, созданная в лаборатории биоэнергетических технологий ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, на которой были проведены исследования по нагреву синтетического субстрата для биогазовой установки БГУ-0,05.
Для проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях использовался синтетический субстрат, состоящий из осадка сточных вод очистных сооружений (Люберецкие очистные сооружения), ко-субстрата с высоким содержанием органического вещества (комбикорм К-65) и воды. Синтетический субстрат получали
Journal of VNПMZH №4(32)-2018
93
следующим образом: навеску комбикорма разбавляли водопроводной водой в соотношении 400 г комбикорма и 2 л воды и выдерживали в течение 4 ч при комнатной температуре до набухания гранул комбикорма. Затем полученную смесь добавляли к осадку сточных вод в соотношении 1:2 до получения влажности смеси до 91%. В ходе проведения экспериментов определялись следующие параметры процесса: скорость нагрева единичного объема субстрата и удельные затраты энергии на нагрев 1 кг субстрата. Условия эксперимента: начальная температура субстрата 10°С, влажность субстрата 92%, температура теплоносителя в теплообменнике 82°С, объем субстрата - до 2 л, температура окружающей среды 20°С. Результаты экспериментов представлены на рис. 3 и 4. Как видно из представленной зависимости, максимальная скорость нагрева достигалась при одновременном включении теплообменника и СВЧ-излучения. Наименьшие затраты энергии на нагрев субстрата будут при использовании только СВЧ-излучения.
0 1Û 20 30
Рис. 3. Зависимость температуры субстрата от времени обработки
160 140 120 100
80
1 -....-—.
Зскроченизя энергия, вт-м/**
Рис. 4. Удельные затраты энергии на нагрев субстрата
Однако скорость нагрева субстрата с применением СВЧ-излучения сопоставима со скоростью нагрева с применением теплообменника. Кроме того, применение только СВЧ-излучения невыгодно с экономической и энергетической точек зрения. Магнетроны высокой мощности имеют высокую стоимость и потребляют большое количество электроэнергии. Таким образом, совместное использование теплообменных аппаратов и СВЧ-излучения в системе предварительного нагрева субстрата перед анаэробным сбраживанием позволит повысить энергетическую и экономическую эффективность процесса при использовании отбросной теплоты эффлюента и двухтарифной системы оплаты за электроэнергию.
Литература:
1. Ковалев A.A. Повышение энергетической эффективности биогазовых установок: дис. к.т.н. М., 2014. Literatura:
1. Kovalev A.A. Povyshenie ehnergeticheskoj ehffektiv-nosti biogazovyh ustanovok: dis. k.t.n. M., 2014.
п С134
□ rorUICioG.VCHHHK СЕЧ iTt'iiisDüür.lüMiiHri
THE IMPROVING OF ENERGY EFFICIENCY OF THE LIQUID ORGANIC WASTE PREHEATING PROCESS PRIOR
TO ANAEROBIC TREATMENT D.A. Kovalev, candidate of technical sciences A.A. Kovalev, candidate of technical sciences Y.A. Sobchenko, a leading specialist FGBNY FNAC VIM
Abstract. The most energy intensive process at liquid organic waste's anaerobic treatment - the process of substrate preheating - is considered. The output and consumption structure ofbiogas obtained at anaerobic treatment process for a device with 60 m3 working volume is shown. The technological scheme of the device with a combined system of substrate preheating, including heating from a heat-exchanger using the effluent's waste heat, and SWCH microwave radiation heating is given. The developed device working description is given. The experimental studies results on the heating rate determination carried out on the developed devise with a combined system of substrate preheating are shown. The graph of substrate temperature dependence from the substrate's processing time in a designed device at various regimes is given. The specific energy consumption cost for substrate preheating at different conditions is shown.
Keywords: anaerobic treatment, liquid organic waste, SWCH-radiation.
