ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕТАНТЕНКА КАК ЭЛЕМЕНТА СУДОВОЙ СИСТЕМЫ СКПО Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 629.025: 629.069.

Д.С. Мизгирев, д.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ»

А.С. Курников, д.т.н., профессор, зав. кафедрой ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕТАНТЕНКА КАК ЭЛЕМЕНТА СУДОВОЙ СИСТЕМЫ СКПО

Ключевые слова: метантенки, биогаз, биогазовые установки, возобновляемые источники энергии, судовые системы, методика расчета.

В статье рассматриваются существующие конструкции метантенков биогазовых установок для анаэробного сбраживания осадков сточных вод и пищевых отходов, возможности их применения, результаты испытаний, особенности проектирования и применения на судах комплексной переработки отходов (СКПО).

1. Общие положения

Негативному антропогенному воздействию подвержены все составляющие биосферы - почва, атмосфера и гидросфера с проживающими в них флорой и фауной.

Загрязнения окружающей среды, оказываемые конкретным судном, не постоянны и представлены практически в каждой из групп факторов, во многом они определяются назначением, режимом работы, техническим состоянием и сроком эксплуатации данного транспортного средства [1].

При эксплуатации судна на его борту непрерывно образуется целый ряд разнообразных отходов, подлежащих нейтрализации и удалению [2]. Виды отходов связаны с особенностями работы, назначением судна и вызваны грузом, пассажирами, либо эксплуатацией технического средства.

На флоте в настоящее время используются два способа решения проблемы отходов [3]:

1. Накопление отходов по видам и их последующая сдача на береговые предприятия переработки и утилизации.

2. Переработка непосредственно на судне при помощи специальных систем очистки сточных (СВ) и нефтесодержащих вод (НВ), а также инсинераторов.

Преимуществами второго способа являются: повышение автономности плавания, сокращение простоев вследствие операций передачи отходов на стационарные береговые сооружения или вспомогательные суда типа «ОС», снижение объемов накопительных емкостей и, как следствие, высокая эффективность таких судов. Из недостатков следует отметить: сложность и дороговизну указанного оборудования, необходимость профессионального обслуживания и ремонта, дополнительные затраты энергии.

Специальные средства для обработки судовых отходов классифицируют следующим образом.

1. Судовые средства: станции очистки и обеззараживания СВ (СОСВ), станции очистки НВ (СОНВ), системы для сбора, хранения и переработки судового мусора, системы комплексной переработки отходов.

2. Внесудовые средства, в состав которых входят: суда-сборщики, спец. причалы, станции очистки НВ, баржи-амбары, суда комплексной переработки отходов (СКПО).

Для ряда средних и малых речных судов установка перечисленного оборудования на борту невозможна. Связано это с тем, что количества образующихся отходов малы, масса и габариты установок значительны, оборудование имеет высокое энергопотребление и стоимость, требуются дополнительные затраты на его эксплуатацию, обслуживание, ремонт и т.п.

Следовательно, для речных судов рационален только первый способ (раздельное накопление отходов с последующей передачей на переработку на берег). Однако в результате анализа его достоинств и недостатков следует, что и он не оптимален. Объясняется это экономическими факторами. Необходима постоянно действующая инфраструктура, что в свою очередь требует постоянных капиталовложений на ее эксплуатацию. С другой стороны, система жестко привязана к географии береговых объектов, имеет постоянную производительность и не может изменяться в соответствии с варьирующейся ситуацией на судоходном участке.

Таким образом, в качестве одного из рациональных решений проблемы судовых отходов рекомендуется использование автономных современных СКПО. Их применение устранит основные проблемы действующей в России системы комплексного обслуживания флота (КОФ): придаст мобильность, возможность обслуживания любого судоходного участка, обеспечит наибольшую эффективность, размещение на акватории не требует выполнения капитальных строительных работ, относительно малы капиталовложения на постройку и эксплуатацию. Системы переработки по видам отходов объединяются в комплексы, что обеспечит высокое качество очистки, позволит ответить существующим требованиям природоохранного законодательства. Кроме того, открывается возможность использования для всего перерабатывающего комплекса единого окислителя - озона (в активированных окислительных технологиях (АОТ^).

При проектировании современных систем СКПО целесообразно использование таких технологических процессов, которые обеспечивали бы не переработку, а утилизацию отходов. Нефтешламы, шламы СВ и НВ, а также сухой мусор рационально перерабатывать сжиганием. Есть возможность использования биогаза - альтернативного вида топлива генерируемого из пищевых отходов и осадка СВ. При реализации данных процессов получаемую теплоту можно будет использовать для нужд технологических систем, судовой энергетической установки (СЭУ) и т.п., а избыточная энергия может передаваться внешним (например, береговым) потребителям. При осуществлении данной технологии на СКПО будет накапливаться относительно малый объем неперерабатываемого мусора и сухой зольный остаток, которые в дальнейшем сдаются на береговые предприятия переработки.

Технологические процессы перерабатывающего комплекса СКПО должны реали-зовывать целый ряд требований: глубина очистки и обработки сред, получение потенциально опасных или же полезных побочных веществ, наличия современных технических средств, эффективности, экономических показателей, перспектив дальнейшего развития и т.д. Следует отметить, что достичь максимального эффекта в экономическом и экологическом аспектах возможно лишь при комплексном решении проблемы универсальными методами и приемами.

Технология утилизации осадка СВ и обезвреживания пищевых отходов обозначена на рис. 1.

В СОСВ переработка СВ осуществляется в несколько стадий. На первой выполняется их отстаивание и усреднение осаждением фракций СВ под действием силы тяжести. Количество взвешенных веществ (ВВ) в СВ после отстойников варьируется в пределах (8...15) мг/дм3 [4]. Далее осадок СВ, полученный на предыдущей стадии, отделяется частично, обезвоживается с помощью центрифугования. Эта стадия определяется тем, что субстрат, поступающий на анаэробное сбраживание, должен иметь уровень влажности (88 .92)%.

Технологический процесс обезвреживания пищевых отходов состоит из сортировки, измельчения и переработки также посредством анаэробного сбраживания. Из накопительной емкости отходы здесь подаются на сортировочный стол, где происходит сепарация крупных костей и прочих неподдающиеся сбраживанию органических и неорганических компонентов, направляемых далее на станцию сортировки мусора.

НесЕражиЬавмые отходы Щй устаиаЬку юртробхи м^Еора}

ШЩшв

СозтроЬки Из мельчеиие

Органический КаЬитционная

сфсшриш едра&'шв.

'Химические гидрот

.'ШтЬмна

тшсщ5С0СШ

ИерЬичноЕ г;5ЕзЬожиЬш]е шлама (механическое)

АназршоЕ ЛражиЬанив ('трмофильшй процвиг.) Вшив ¡ни ШШ^..

ь

Вторично^ о-5ез(тиЬание шлама |''тертческае)

Ояез&оженный шлам

Ш шёртчёск^ю фцпШшт

Рис. 1. Функциональная схема переработки осадка СВ и обезвреживания пищевых отходов

После измельчителя размельченные отходы смешиваются с подготовленным осадком СВ и направляются через гидродинамический кавитатор в метантенк, где органический субстрат сбраживается в анаэробных условиях генерируя горючий био-газ, далее сжигаемый в котлоагрегате. В гидродинамическом кавитаторе осуществляется усреднение и гомогенизация субстрата, а также первичное его разложение за счет химического гидролиза под действием добавляемых реагентов.

Побочным продуктом процесса сбраживания выступает сток, направляемый на двухступенчатое обезвоживание. Твердые его составляющие также подлежат сжиганию в котлоагрегате, жидкие - передаются на очистку в СОСНВ.

Существенным свойством осадков СВ, определяющим возможность их переработки, является высокое содержание органики - до (65.75) %, которая также успешно перерабатывается как при реализации аэробном, так и анаэробного процессов [5].

Установки, реализующие аэробную технологию, конструктивно просты и дешевы в эксплуатации, однако, отличаются значительным энергопотреблением и массогаба-ритными показателями [5], следовательно, на СКПО рационально использование анаэробного сбраживания, как экономически более выгодного и экологически безопасного.

Сбраживание осуществляется в закрытых герметичных емкостях - метантенках. В процессе протекании реакции шлам СВ обеззараживается и выделяется полезное вещество - метан [5]. На рис. 2 показаны зависимости продолжительности сбраживания от температуры при реализации термофильного или мезофильного процессов.

Рис. 2. Зависимость продолжительности сбраживания от температуры

Рационально использование термофильного процесса, происходящего при температуре (50...60)°С, с принудительным перемешиванием субстрата, а также непрерывным подводом свежего осадка и отводом стока. Это позволяет стабилизировать и повысить скорость переработки, снизить энергозатраты и обеспечить установленное газовыделение. Еще одним важным достоинством термофильного процесса является достижение полной дегельминтизация осадка СВ, что не требует проводить дополнительного обеззараживания стока.

В процессе брожения происходит распад органических веществ осадка с выделением жидких и газообразных продуктов. Это приводит к значительному изменению химического состава сброженной смеси. Общий объем сбраживаемой смеси постоянен, так как количество сухого вещества вследствие его распада уменьшается, а влажность смеси растет. Растет и зольность, поскольку зольная часть осадка остается неизменной, а количество сухого вещества снижается.

Образующийся при анаэробном сбраживании биогаз составляют метан (60.67)%, угольная кислота (30.33) %, водород (1.2) %, азот (около 0,5%). Содержание метана в газе определяется распадом жиров и белков, поступающих с исходным субстратом [4].

2. Конструкция метантенка

Развитие анаэробной техники вызвано потребностью в эффективных аппаратах, отличающиеся низкими массогабаритными показателями, надежных в работе, обеспечивающих малые капитальные, эксплуатационные и энергетические затраты. Известны станции с применением каждого из указанных процессов, а также многоступенчатые [5, 6, 7, 8, 9, 10]. Применительно к судовым условиям возможна реализация только UASB и AMBR реакторов, причем последние требуют дорогостоящих расходных материалов - биологических мембран.

В результате анализа априорной информации и результатов предварительных экспериментов авторы совместно с сотрудниками ООО «МИП «Энергосберегающие технологии» разработали гибридную судовую установку (рис. 3), новизна которой защищена патентом РФ № 136282 Ш [11].

Особенностью системы является повышение эффективности и ускорение процессов биологической обработки отходов за счет:

- разделения рабочего процесса на стадии химического гидролиза, предварительного и основного анаэробного сбраживания, что дает равномерный выход газа и снижает шоковое влияние на микроорганизмы;

- закрепления микроорганизмов на насыпной загрузке, что способствует ускорению их роста и размножения, уменьшает их вынос и гибель при нагреве и циркуляции, повышает выход газа;

- ускоренный выход на рабочий режим и его стабилизация за счет добавления бактериального субстрата на любой стадии процесса;

- расширяются возможности использования системы за счет снижения массогаба-ритных показателей;

- уменьшаются строительные и эксплуатационные затраты за счет отказа от расходных материалов, снижения энергопотребления путем рациональной организации гидродинамических потоков, исключения из конструкции движущихся деталей;

- повышается надежность работы за счет автоматизации рабочего процесса и отсутствия подвижных элементов.

1 Hsx.vtteiBí1 S ? » ■? i

лм йог

Рис. 3. Схема метантенка: 1 - высоконапорный насос; 2 - кавитатор гидродинамический; 3 - теплообменный аппарат; 4 - насос циркуляционный; 5 - загрузочное устройство; 6 - фильтр-влагоотделитель; 7 - клапан предохранительный; 8 - колпак газовый; 9 - камера предварительного сбраживания; 10 - основная камера метанового сбраживания; 11 - кольцо разделительное; 12 - насыпная загрузка; 13 - нижняя камера

3. Расчет метантенка

С учетом ранее выполненной Мизгиревым Д.С. работы [12] по статистическому анализу количеств и состава отходов на судоходном участке в районе г. Н.Новгорода, расчетная производительность станции составит, м3/ч:

QE = 0,1- QCB + 0,3 • QCM max, (1)

где Qcb - расход СВ, принимаемых СКПО на переработку, м3/ч; QCMmax - максимальная масса сухих принимаемых отходов, т/ч.

Объем метантенка определяем по периоду задержки [13], т, сут:

т = 100/К,, (2)

где kmt - коэффициент, зависящий от влажности осадка, суточной дозы загрузки и наличия в СВ ПАВ различного происхождения.

Как показывают исследования, в судовых СВ в основном присутствуют анионные ПАВ, следовательно [13]:

К, = 10Д- , (3)

Cd, (100 - dmud )

где Cdt - содержание ПАВ в осадке, мг/г сухого вещества осадка [13], Cdt = 5 мг/г (при исходной концентрации ПАВ в СВ 5 мг/л);

dmud - влажность загружаемого осадка, %. Значение dmud принимается по результатам

испытаний конкретной схемы блока подготовки осадка СОСНВ; Дцт - предельно допустимая загрузка ПАВ в рабочий объем метантенка в сутки, принимаем Дат = 65 г/м3 для анионных ПАВ в ХБСВ [13].

После преобразований уравнение (3) примет вид:

130

к, =-, (4)

mt 100 - dmui ' ^

Приведенные зависимости не учитывают влияния на процесс метаногенеза предварительной обработки осадка, для чего в формулу (2) вводится коэффициент ускорения ky [14]; тогда преобразуя с учетом (4), получим:

т = 0,769-(100-d^J-ку, (5)

Требуемый объем метантенка составит [6], м3:

VMT = 24-Qe-Х . (6)

Объем гранулированной загрузки для иммобилизации метаногенов принимаем по [14] равным 18% рабочего объема метантенка.

Определяем объем рабочего пространства метантенка с учетом уравнений (1), (5), м3:

V^ = 21,778 - ку - (100 - dmud ) - (0,1 - Qcb + 0,3 - Qcmmax ) (7)

Распад беззольного вещества загружаемого осадка в зависимости от дозы загрузки будет равен:

R = Rm - kd - кт, , (8)

где kd - коэффициент, зависящий от влажности осадка и принимаемый по источнику [13] kd = 0,1.

Rnm - максимально возможное сбраживание беззольного вещества осадка, %. Для смеси ХБСВ и ХФСВ RHm = 53% [13].

В результате преобразования формулы (8) получим:

Rr = 53--13--(9)

r 100 - d ,

mud

Расход остатка по сухому веществу составит, кг/ч:

С - Э - кп „ 100 - d ,

Q =-- - Qrn +-— - Kn - Qru , (10)

У* Ю00 СВ Ю0 ПО СМ max ' у '

где С - начальная концентрация ВВ, г/м3. Конкретное значение С определяется экспериментальными данными [12]; Э - эффект задержания взвешенных веществ при первичном отстое. С целью повышения выхода газа примем Э = 0,8. Для этого в технологической схеме необходимо предусмотреть устройство, повышающее концентрацию ВВ (центрифугу или гидроциклон);

kn - коэффициент, учитывающий увеличение объема осадка за счет крупных ВВ, не

улавливаемых при отборе проб, kn = 1,15 [13]; dno - влажность пищевых отходов, %. dno = (60.70)% в весенний период, dno = (70.80)% летом и осенью. В связи с пониженным водопотреблением на судах

dno = 65% [15].

После подстановки значений в выражение (10) получим, кг/ч:

Q = 0,92 • 10-4 • C • + 0,105 • Q_„ , (11)

^сух ' ^СВ ' ^ CM max > V /

Масса распавшегося беззольного вещества осадка составит [13], кг/ч:

Q • R

m -^ (12)

Ci 100 ( )

Преобразуем (12)с учетом (9), (11), выражение примет вид, кг/ч:

0 13

mс, = (0,53 - ' ) • (0,92 • 10-4 • C • QcB + 0,105 • Qcmmax). (13)

100 - dmud

Выход биогаза составляет 1 г на 1 г распавшегося вещества беззольного осадка (объемный вес газа 1 кг/м3) [13].

Суточный объем генерируемого газа составит (м3/сут):

Q = 24 • mc р, (14)

С учетом уравнения (13), м3/сут:

3 12

Q? = (12,72 - , , ) • (0,92 • 10-6 • C • QcB + 0,105 • Qcm max). (15)

100 - dmud

Масса нераспавшегося беззольного остатка (обезвоженного стока), кг/ч:

Q • (100 - R )

m = -± (16)

сн 100

Преобразуем выражение (16) с учетом формул (9) и (11):

0,13

mCH = (0,92 • 10-6 • C • QcB + 0,105 • Qcm max) • (0,47 - , ). (17)

100 - d ,

mud

Нераспавшийся осадок - сток целесообразно также утилизировать в котлоагрега-

те.

Тепловой баланс метантенка описывается системой уравнений потерь теплоты [14], обусловленной ее расходом на:

а) тепловой поток для подогрева свежей порции осадка [15], кВт/ч:

QOCB = 0,001 • Qe • (TMT - TOCB) • сОСв , as)

где Тмт - расчетная температура в метантенке, °С. С учетом ранее обоснованной технологии переработки Тмт = 55 °С; Тосв - температура осадка, поступающего в метантенк, °С. С учетом обработки в гидродинамическом кавитаторе Тосв = 25 °С; сосв - удельная теплоемкость осадка, кДж/(кг°С). сосв = 4,2 кДж/(кг°С) [15].

После преобразования с учетом (1) получим, кВт/ч:

QoCB = 0,0126 • Qcb + 0,0378 • Qcm max ; (19)

б) тепловые потери в окружающую среду через ограждения [15], кВт/ч:

Qоtр = 0,001 • ^ (Тмт - Тор) , (20)

где к - коэффициент теплопередачи к окружающей среде Вт/(м2 °С); ¥мт - площадь ограждающих стенок метантенка, м2;

Токр - температура окружающей среды, °С. При эксплуатации судна в умеренном климатическом поясе Токр = 20 °С [14].

Применяя сварные конструкции метантенков из коррозионностойких сталей с негорючей теплоизоляцией из минеральной ваты толщиной Д = 0,1 м и защитным кожухом из оцинкованной стали к = 0,314 Вт/(м2°С) [15].

После преобразования (20) получим:

Q0р = 0,011 • ^ ; (21)

в) тепловой поток с уходящим биогазом.

Согласно авторам [15] для различных конструкций метантенков данный поток составляет менее 5% теплового баланса, поэтому им пренебрегают. На СКПО без накопления газа данный поток целиком переходит в тепловой баланс котлоагрегата в части подготовки топлива. Это минимизирует тепловые потери, повышает к.п.д. системы и упрощает расчет.

4. Экспериментальные исследования метантенка

В результате экспериментальных исследований необходимо установить следующие характеристики предлагаемого устройства метантенка:

а) выяснение работоспособности конструкции;

б) минимально необходимую кратность циркуляции осадка КБ с точки зрения согласования теплового и биологического режимов, а также предотвращения коркооб-разования на поверхности раздела фаз;

в) влияние обработки свежего осадка гидродинамической кавитацией и химическим гидролизом на процесс анаэробного сбраживания (коэффициент ускорения ку);

г) определение дозы реагента для химического гидролиза дреаг, кг/м3 в условиях предварительной кавитационной обработки осадка.

Во избежание влияния переходных процессов продолжительность каждого эксперимента соответствовала регламентированному времени контакта: в кавитаторе - не менее 10 с; в метантенке - по расчетному периоду задержки, но не менее 3 сут.

Для осуществления эксперимента в соответствии с указанными задачами был разработан специальный стенд. На нем имитируется работа биогазовой установки, представляющей собой комплекс из метантенка и обслуживающих его систем. При создании принципиальной схемы и стенда для испытаний авторы ориентировались на продукцию отечественного и импортного производства, одобренную РРР и используемую в судовых системах.

Внешний вид стенда представлен на рис. 4. Технические параметры стенда в ходе проведения опытов поддерживались на уровне, полученном при его наладке перед испытаниями.

Рис. 4. Внешний вид стенда биогазовой установки до монтажа теплоизоляции, кабельных трасс и газохода: 1 - клапан предохранительный;

2 - счетчик газа; 3 - устройство загрузочное; 4 - метантенк;

5(1).. .5(5) - термометр; 6 - бак расширительный; 7 - котел водогрейный газовый; 8(1).. .8(2) - термостат; 9(1).. .9(2) - насос циркуляционный;

10 - аппарат теплообменный; 11(1). 11(4) - клапан электромагнитный;

12 - нагреватель водогрейный электрический; 13 - расходомер; 14 - рама; 15(1).. .15(3) - манометр; 16 - щит питания и управления; 17 - реле давления;

18 - воздухоотводчик автоматический; 19 - загрузочная емкость осадка;

20 - кавитатор гидродинамический; 21 - насос высоконапорный

Задача первого эксперимента - выяснение работоспособности метантенка предложенной авторами конструкции.

Для осуществления эксперимента использовалась смесь осадка ХБСВ с т/х ОТ 1505с пищевыми отходами в соотношении 10:1.

Испытания производились при следующих параметрах: режим сбраживания -термофильный (Тмт = 55 °С, Тосв = 25 °С); давление перед кавитатором - 500 кПа, расход необработанного осадка обеспечивался высоконапорным насосом и составлял 1,0 м3/ч, расход циркулирующего осадка QБ = 0,005 м3/ч. Результаты исследований представлены на рис. 5.

г 0,08 3

О) 0,06

я

Е „„

х

- 0,02

0 I——1—|-|—ы-м

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12131415 Время эксперимента, т, суг

б)

Рис. 5. Температурный режим (а) и выход газа (б) при базовом режиме работы метантенка

Температуры: Т - в газовом колпаке; Тмт - в камере метантенка; Тосв - порции свежего осадка; Токр - окружающей среды; Тц - греющего теплоносителя на входе в ТА; Т12 - греющего теплоносителя на выходе из ТА; Т21 - нагреваемого осадка на входе в ТА; Т22 - нагреваемого осадка на выходе из ТА.

Эксперименты доказывают целесообразность разделения рабочего процесса на стадии и эффект предварительной обработки осадка кавитацией, т.к. система обеспечивает эксплуатационный режим работы уже на (13.14) сут, вместо рекомендуемых (18...22) сут.

Во втором эксперименте необходимо было выявить минимально необходимую кратность циркуляции биомассы КБ. При перемешивании происходит высвобождение образованного биогаза, предотвращение разделения жидкой и твердой фаз, выравнивание температуры в рабочей камере, распределение популяции бактерий. Кроме того, оптимальное перемешивание сырья повышает выход биогаза до 50%.

Кратность циркуляции КБ определяется по выражению, сут-1:

Кб = 24-0бо /Умт, (22)

где QБо - расход циркулирующего осадка, м3/ч.

Эксперименты выполнены при установившемся режиме работы с выдержкой 3 сут. на каждом опытном режиме. Результаты опытов сведены в зависимости, изображенные на рис. 6.

0,14 0,18 0,22 0,26 Кратность циркуляции, КБ, сут'

б)

Рис. 6. Зависимость выхода биогаза от расхода циркулирующего осадка (а) и кратности циркуляции (б)

Минимально необходимая кратность циркуляции осадка КБ для данной конструкции метантенка составляет 0,18, что также находится в рекомендованном диапазоне (0,14.0,28) сут"1.

В третьем эксперименте поставлена задача определения влияния на процесс анаэробного сбраживания первичной обработки осадка гидродинамической кавитацией и химическим гидролизом, а также определение дозы реагента.

Коэффициент ускорения процесса сбраживания, достигаемого предварительной обработкой субстрата, определяется по выражению:

ку - Т То

где т0 - период задержки без применения химического гидролиза, сут.

(23)

По априорным данным [8, 9, 10, 13, 14] обработка осадков реагентами HCl, HNO3, H3PO4 облегчает выделение ферментов и повышает производство Сахаров. Введение NaOH, KOH, Ca(OH)2 снижает степень полимеризации биомассы, что приводит к росту доступности углеводов, усиливает активность полисахаридов. Среди перечислен-

ных реагентов наиболее доступными и наименее опасными являются HCl и NaOH.

С другой стороны, на бактерии сильно влияет уровень рН и их активность достигает максимума в диапазоне (6,8.7,2) [6, 14]. Отмеченное выше устанавливает граничные условия эксперимента. Результаты исследований представлены на рис. 7.

0,16

- 0,12 TL

я 0,08

u g

I 0,04

"у-

0

4 5 б 7 8 9 10 II 12 13 14 15 Время эксперимента, т, cvr

а)

0,16

£ 0,12

О?

Ё °>08 <

I °'04 0

4 5 б 7 8 9 10 II 12 13 14 15 Время эксперимента, т, сут

б)

Рис. 7. Выход биогаза при совместной обработке осадка кавитацией и кислотным (а) или щелочным (б) гидролизом: 1 - без добавления реагентов; 2 - 0,05 М HCl (дреаг = 4,795 кг/м3, ку = 0,923);

3 - 0,1 М HCl (дреаг = 9,615 кг/м3, ку = 0,846); 4 - 0,15 М HCl (дреаг = 14,411 кг/м3, ку = 0,923); 5 - 0,2 М HCl (дреаг = 19,207 кг/м3, ку = 1);

6 - 0,15 М NaOH (дреаг = 6,012 кг/м3, ку = 0,846); 7 - 0,20 М NaOH (дреаг = 8,000 кг/м3, ку = 0,769); 8 - 0,25 М NaOH (дреаг = 10,000 кг/м3, ку = 0,692);

9 - 0,30 М NaOH (дреаг = 12,000 кг/м3, ку = 0,769);

10 - 0,35 М NaOH (дреаг = 14,000 кг/м3, ку = 0,923).

Из результатов экспериментов следует, что целесообразно применение раствора 0,1М NaOH (дреаг = 10 кг/м3, ку = 0,692) совместно с гидродинамической кавитацией, что повышает выход биогаза на 18 %. Также следует учитывать, что NaOH уже используется на судах для обработки воды СЭУ, следовательно, уже предусмотрены условия, обеспечивающие его обращение и складирование. К преимуществам также относится поставка в твердом гранулированном виде, облегчающая транспортировку и хранение.

5. Математическое моделирование биогазовой установки

Итак, после подстановки искомых параметров в выражения (1)...(23) и их преобразования получим математическую модель биогазовой установки.

2Б = 0,1 • 2Св + 0,3 • 2 см_ ; т = 0,532 • (100 - ); 2^ = 0,92 •ю-4 • с • 2в + 0,105 • есмгак

0 13

р = (0,53- ' )• (0,92•Ю-4 • с • 2св + 0,105• 2см^ )

100 - "ти"

0 13

тс н = (0,92 • 10-6 • С • 2св + 0,105 • 2см^ ) • (0,47 - —)

100 - а

ти" (24)

3,12

2 г = (12,72-. ' ) • (0,92 • 10-6 • С • 2св + 0,105 • 2см _ )

100 - а„

тиа

УМТ = 21,778 • к у • (100 - "ти, ) • (0,1 • 2св + 0,3 • 2 см тх ) 2 Бо = 0,0075 • Vмт;

2пармт = 1,701 • 10-4 • 2св + 5,103-10-4 • 2смтх + 0,148•Ю-3 • ¥ж

2 2

нж = Р"+' - + -Рс- +"'■'+'+ - н,_и + Ак, + Ак^ + я, •2 ж + Ям • 2М + ^; Р ж • ё Р ж • ё 2 • ё

п \п п ( 1 т \ О

НП = 1—+£Я• 2г2); я, = к,А.+]Г4 ' 8

и _ ^^ — г ' - , | , у. ^^ -*у I

г=1 Р г • ё ¡=1 I А ^ I Ж Д ё

Заключение

Экспериментально показана работоспособность предложенной конструкции биогазовой установки с применением предварительной обработки осадка кавитацией, обеспечивающей термофильный режим уже на (13.14) сут. эксплуатации. Выявлена минимально необходимая кратность циркуляции осадка КБ = 0,18 сут-1. Доказана целесообразность совместной предварительной обработки биомассы гидродинамической кавитацией и химического гидролиза раствором 0,1М ЫаОН (доза реагента дреаг = 10 кг/м3), обеспечивающего коэффициент ускорения ку = 0,692 и повышающего выход биогаза до 18 % при оптимальных условиях перемешивания. Предложена математическая модель биогазовой установки.

Следует отметить, что применение метантенков целесообразно не только на СКПО, но и на других технических средствах инженерной защиты окружающей среды (баржи-амбары, спец. причалы и т.п. сооружения), выполняющих операции со значительными объемами СВ в целях получения тепловой, а впоследствии и электрической энергии и использования этих ресурсов для их собственных нужд. Это позволит обеспечить решение не только технических, но и экономических задач, вызванных затратами при эксплуатации и обслуживании подобных объектов.

Список литературы:

[1] Экологический менеджмент воздействующие факторы. Классификация. Национальный стандарт Российской Федерации: ГОСТ Р 14.03-2005. - Введ. 1.01.2009. - М: Изд-во стандартов, 2009. - 20 с.

[2] Конаков Г.А., Васильев В.В. Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация флота: Учебник для вузов водн. трансп. / Г.А. Конаков, В.В. Васильев. - М.: Транспорт, 1980. - 424 с.; ил.

[3] Суда внутреннего и смешанного (река-море) плавания. Санитарные правила и нормы: Сан-Пин 2.5.2-703-98. - М.: Минздрав России, 1998. - 144 с.

[4] Ласков Ю.М., Воронов Ю.В., Калицун В.И. Примеры расчетов канализационных сооружений: Учеб. пособие для ВУЗов. - М: Высшая школа, 1981. - 232 с., ил.

[5] Аксенов В.И., Ладыгичев М.Г., Ничкова И.И., Никулин В.А., Кляин С.Э., Аксенов Е.В. Водное хозяйство промышленных предприятий. Справочное издание в 2-х книгах. Книга 1. - М: Теплотехник, 2005. - 640 с.; ил.

[6] В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер Биогаз, теория и практика. (Пер. с нем. и предисловие М.И. Серебряного). М: Колос, 1982 - 148 с.: ил.

[7] Биомасса как источник энергии: Пер. с англ. / Под ред. С. Соуфера, О. Заборски. - М: Мир, 1985. - 368 с.; ил.

[8] Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки. / Пер. с англ. М.Ф. Пушкарева; под ред. Е.А. Бирюковой. - М: Агропромиздат, 1987. - 152 с.

[9] Яковлев С.В., Волков Л.С., Воронов Ю.В., Волков В.Л. Обработка и утилизация осадков производственных сточных вод. - М.: Химия, 1999. - 448 с.

[10] Катраева И.В. Современные анаэробные аппараты для очистки концентрированных сточных вод // Известия КазГАСУ. - Казань, 2011. - № 2 (16). - С. 179-184.

[11] Курников А.С., Мизгирев Д.С., Молочная Т.В. Метантенк. Патент на полезную модель РФ № 136282 U1, МПК А01С3/00, 0)2F11/04. Заявитель и патентообладатель ООО "МИП "Энергосберегающие технологии" - заявл. 07.02.2013; опубл. 10.01.2014 - 11 с.; ил.

[12] Мизгирев Д.С. Проектирование специальных систем судов комплексной переработки отходов: автореф. дисс. канд. техн. наук / Д.С. Мизгирев; науч. рук. А.С. Курников; ФГОУ ВПО «ВГАВТ». - Н. Новгород, 2009. - 24 с.

[13] Канализация. Наружные сети и сооружения. Строительные нормы и правила: СНиП 2.04.03-85. - М:. ГУП ЦПП, 1998. - 72 с.

[14] ГюнтерЛ.И., Гольдфарб Л.Л. Метантенки. - М.: Стройиздат, 1991. - 128 с.; ил.

[15] Очистка производственных сточных вод: Учеб. Пособие для ВУЗов / С.В. Яковлев, Я.А. Карелин и др.; под ред. С.В. Яковлева, 2-е изд., перераб. и доп. - М: Стройиздат, 1985. - 335 с.

THE DESIGN OF THE DIGESTER AS PART OF THE MARINE SYSTEMS IWMS

D.S. Mizgirev, A.S. Kurnikov

Keywords: the digester, biogas, biogas plant, renewable energy, marine structures, methods of calculation.

The article discusses the existing designs of digesters of biogas plants for anaerobic digestion of sewage sludge and food waste, the possibility of their use, test results, design features and use on vessels of complex processing of waste (IWMS).

Статья поступила в редакцию 13.04.2017 г.

УДК 629.5.012

Е.П. Роннов, д.т.н., профессор, зав. кафедрой ФГБОУ ВО «ВГУВТ» Ю.А. Кочнев, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

ГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТАНКЕРА СМЕШАННОГО (РЕКА-МОРЕ) ПЛАВАНИЯ

Ключевые слова: танкер, математическая модель, оптимизация.

Приведена математическая модель оптимизации главных размерений танкера смешанного (река-море) плавания. Особенностью модели является непосредственный