CC BY
138
I
SCIENCE TIME
I
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА ПРИ АНАЭРОБНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Кущев Леонид Анатольевич, Суслов Денис Юрьевич, Темников Дмитрий Олегович, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород
E-mail: suslov1687@mail.ru
Аннотация. В работе изучены конструктивные и технологические признаки установок получения биогаза при анаэробной ферментации органических отходов. Предложена классификация технологий получения биогаза и методов перемешивания биомассы. Рассмотрены виды
перемешивающих устройств химической промышленности и описано распределение потоков среды при их работе. Установлено, что перспективным направлением совершенствования систем перемешивания в биогазовых установках является совмещение механического и барботажного типов перемешивания
Ключевые слова: биогаз, анаэробная ферментация, технология, перемешивание.
Работа выполнена в рамках реализации проекта РФФИ № 14-48-08039 и стипендии Президента Российской Федерации СП - 1716.2015.1.
В настоящее время для получения биогаза используют различные технологии, всех их можно классифицировать следующим образом (рис.1).
По технологии подготовки и брожения сырья современные биогазовые установки делят на «мокрую» технологию и «сухую». Между понятиями мокрого и сухого сбраживания четкой разницы не существует. Согласно современным представлениям при сухом сбраживании содержание сухой массы на входе в реактор минимум 30 % по массе [1].
204
о
SCIENCE TIME
Технологии получения биогаза
,---------------1--------------,
Классификация: Критерии:
Содержание сухого
Вещества в субстратах х а
——----------2---£ --------------р мокрое сбраживание
L сбраживание твердых веществ
Вид загрузки
------- ------------------------г порционная
- квазинепрерывная L непрерывная
Количество фаз процесса--------- одна фаза
L две фазы
Температура процесса
т- психрофильная
- мезофильная
- термофильная
Рис. 1 Классификация технологий получения биогаза
о При мокром сбраживании в реакторе содержание сухого вещества
составляет до 12 % по массе. Считается, что с помощью насосов может перекачиваться среда с содержанием сухого вещества до 15 % [2].
Наиболее распространённым типом сбраживания в сельском хозяйстве является мокрое сбраживание в классических круглых резервуарах.
По виду загрузки субстрата в биореактор технологии бывают: с
непрерывной загрузкой, квазинепрерывной загрузкой и порционной загрузкой [2,
3].
При непрерывной загрузке навоз загружают через определенные промежутки времени (до 10 раз в сутки), удаляя такое же количество сброженной массы. При соблюдении всех условий сбраживания такая схема позволяет получить максимальный выход газа.
Квазинепрерывная загрузка отличается от непрерывной тем, что раз в день происходит загрузка не пробродившего субстрата.
Непрерывную и квазинепрерывную загрузки подразделяют на проточную и накопительно-проточную. Накопительная в настоящее время по различным причинам экономического и технологического характера практически не используется.
Проточная технология ранее использовалась для питания большинства установок для получения биогаза. Она заключается в подаче определенного количества свежего субстрата в реактор, с одновременным перемещением уже сброженного остатка в специально предназначенное для этого хранилище. Перемещаться в хранилище он может путем вытеснения, или же отбора из
205
о
Щ SCIENCE TIME Щ
реактора одним из способов. Реактор при такой технологии загрузки остается всегда заполненным и его опорожнение производится только для осмотра и проведения регулярных ремонтных работ. При этом наблюдается оптимальная выработка биогаза и высокий уровень использования потенциала реактора. Но при этом существует возможность образования каналов, по которым поступающий в емкость реактора субстрат может быть вынесен из установки, без прохождения этапа сбраживания. Это может привести к его дображиванию в хранилище остатков и небезопасному выделению метана, являющегося взрывоопасным газом в том случае, если оно является открытым, как в большей части установок, использующих проточную технологию загрузки.
Последний вид загрузки субстрата - порционный. Для него характерно наполнение реактора за один прием. Порция проходит брожение до конца заданного для этого времени, на протяжении которого субстрат не добавляют и не вынимают.
Дебит газа начинается после наполнения, за несколько дней достигает максимальной производительности, после чего начинает медленно уменьшаться. Под конец, по истечению заданного времени брожения, бродильная камера _ опустошается также за один прием. При этом часть бродильного шлама возвращают обратно для затравливания следующей партии субстрата, подаваемой в реактор. Постоянный дебит для одного реактора не представляется возможным, уровнять колебание выхода газа удается за счет сбраживания в нескольких реакторах с загрузкой, смещенной во времени.
Так же технология сбраживания разделяется по количеству фаз и каскадов процесса.
Однофазный и двухфазный процесс работы биогазовой установки определяется тем, сколько фаз процесса биохимического окисления осадка, проходят в основном реакторе. Первая фаза - это фаза гидролиза органических соединений, идущая с образованием простых спиртов и карбоновых кислот, а в течение второй фазы с участием метаногенных бактерий идет синтез метана, являющего основной энергетической составляющей биогаза. Установку, в которой приемная емкость является закрытой, можно рассматривать как использующую двухфазный процесс. В этом случае в первой емкости проходит фаза гидролиза, а в реакторе метановая фаза анаэробного процесса.
В сельском хозяйстве наиболее часто встречается однофазная, трехкаскадная технология, при которой установка состоит из приемной емкости, реактора и резервуара дображивания [1, 2].
Для того что бы увеличить максимальный выход газа из сбраживаемого субстрата при существующих технологиях и предотвратить образование корки на верхних слоях - применяют различные способы перемешивания (рис.2). Правильно подобранный способ перемешивания субстрата для конкретной
206
о
Щ SCIENCE TIME Щ
технологии позволяет равномерно распределить температуру по объему реактора, тем самым ускорив процесс метанообразования [4].
Рис. 2 Основные способы перемешивания в биогазовых установках
Механическое перемешивание наиболее популярно в сельском хозяйстве за счет простоты эксплуатации и обслуживания. Реализуется механическое перемешивание за счет мешалок, которые, в зависимости от числа оборотов делят на:
- тихоходные <100 об./мин;
- быстроходные > 100 об./мин.
Быстроходные мешалки работают в аппаратах с отражающими перегородками и без них.
На рис.3 показаны различные способы расположения пропеллерных мешалок в аппарате. В последнее время наиболее часто в биореакторах применяют вариант с наклонным направлением пропеллера (рис.3 в). Это обуславливается созданием движения в нижних, более плотных слоях субстрата, часть объема которого замещается верхними слоями, что приводит к перемешиванию по всему объему [1].
Рис. 3 Способы расположения пропеллерных мешалок: а - центральное; б - наклонное и эксцентричное; в - боковое нижнее
207
о
SCIENCE TIME
К тихоходным мешалкам относятся лопастные, листовые, якорные и рамные (рис.4). Перемешивающий эффект направлен не на привнесение в субстрат тягового усилия, а на промешивание субстрата, он обеспечивает хорошее перемешивание субстратов с большим содержанием сухого вещества
[5].
Рис. 4 Виды тихоходных мешалок: а - лопастная; б - листовая; в - якорная; г - рамная
Также на распределение потоков влияет высота расположения рабочего _ органа мешалки. Если мешалка смонтирована на половине высоты субстрата, то образуются два приблизительно симметричных потока вторичной циркуляции, тогда как при смещении мешалки в направлении днища эта симметрия нарушается, а когда мешалка находится у самого дна, то образуется лишь один поток вторичной циркуляции.
Рис. 5 Схемы расположения мешалок по высоте реактора: а - центральное; б - смещенное вниз; в - нижнее
Хорошее качество перемешивания можно получить, нагнетая полученный в результате брожения газ в жидкий субстрат. Однако при этом субстрат не должен обладать слишком большой вязкостью. При введении газа в нижнюю часть реактора в нем создается газлифт, обеспечивающий интенсивное перемешивание жидкости [6].
208
о
Щ SCIENCE TIME Щ
На рис.6 представлены схемы барботажных перемешивающих устройств, отличающихся конструкцией барботера и гидродинамическим режимом работы.
Рис. 6 Схемы барботажных перемешивающих устройств: а - аппарат с сетчатым распределителем, б - аппарат со спиральным трубчатым барботером, в - сочетание трубчатого барботера с лопастной мешалкой, г - аппарат с внутренней циркуляционной трубой, д - аппарат с внешней циркуляционной трубой,
1 - аппарат, 2 - газораспределитель, 3,4 - вход и выход газа
Для интенсификации газового перемешивания в аппаратах устанавливают газлифтные трубы, создающие многократную циркуляцию жидкости в аппарате. В циркуяционных трубах образуется газожидкостная смесь с плотностью меньше плотности жидкости, находящейся в межтрубном пространстве, вследствие чего в аппарате возникает циркуляция жидкости с восходящим и нисходящим потоками [6, 7].
Достоинствами барботажного перемешивания являются отсутствие движущихся частей, простота устройства и легкость поддержания твердой фазы суспензий во взвешенном состоянии. Недостатки этого метода: большой расход энергии на получение сжатого газа и его применимость только для маловязких жидкостей.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что перспективным направлением совершенствования биогазовых установок является применение биореактора с совмещенным механическим и барботажным типом перемешивания, позволяющим повысить интенсивность перемешивания субстрата различной вязкости, предотвратить образование плавающей корки и ускорить начальную стадию сбраживания свежего субстрата.
209
о
Щ SCIENCE TIME Щ
Литература:
1. Биогаз на основе возобновляемого сырья. Сравнительный анализ шестидесяти одной установки по производству биогаза в Германии / Специальное агентство возобновляемых ресурсов (FNR) Хофплатц 1, 18276, Гюльцов, Германия. - 2010.
- 115 с.
2. Эдер Б., Шульц Х. Биогазовые установки / перевод с нем. компании «Zorg Biogas»: 2008. 268 с.
3. Гюнтер, Л.И. Метантенки / Л.И. Гюнтер, Л.Л. Гольдфраб - М.: Стройиздат, 1991. - 128 с., ил.
4. Суслов Д.Ю., Темников Д.О. Распределение потоков при перемешивании субстрата в биогазовых реакторах / Современный взгляд на проблемы технических наук / Сборник научных трудов по итогам международной научнопрактической конференции Уфа, 2014. С. 16-19.
5. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 753 с.
6. Шаптала В.Г., Шаптала В.В., Суслов Д.Ю. Вопросы моделирования и расчета _ барботажных реакторов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. №°5. С. 189-192.
7. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В 2 кн. Кн. 1 Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии.: учеб. пособие для вузов / Н.И. Гельперин. - М.: «Химия», 1981. 384с.
210
