CC BY
22
Нащональний лкотехшчний унiверситет УкраУни
чинаеться за температури 6 °С. За нижчо' температури видiлення метану при-пиняеться. Одночасно iз зростанням температури швидко збшьшуеться об'ем газу, що видшяеться.
Тривалiсть гiдравлiчного вiдстоювання залежить також вщ виду сирови-ни, що завантажуеться. Оргашчт речовини розкладаються з рiзною швидкiстю. Найдовший час гiдравлiчного вiдстоювання буде за пiдвищеного вмюту целю-лози та гемiцелюлози, коротший - у разi наявностi у сировит бiлкiв та жирiв, а найкоротший - для цукр1в.
Мета та завдання дослщження. Визначити залежшсть виходу об'ему бiогазу, що утворюеться тд час анаеробного бродiння оргатчно' сировини за рiзних температур бюмаси та часу гiдравлiчного вiдстоювання.
Експериментальш досл1дження та 1х аналiз. Конструкщя бiореактора вiдiграе важливу роль для ефективного процесу метаноутворення, при цьому потрiбно забезпечити достатньо розвинену поверхню бiомаси для виходу бюга-зу. Врахувавши попередньо висвiтленi рекомендацп щодо конструювання бь ореакторiв, запропоновано резервуар у виглядi цилiндра зi зрiзаними конусами до верху i до низу (рис. 1) [6].
Рис. 1. Схема (а) та фото (б) побутового бюреактора: 1) резервуар; 2) зас!б перемшування; 3) патрубок завантаження; 4) патрубок розвантаження; 5) клапан;
6) люк; 7) патрубок виходу бгогазу; 8) система п1д1гр1вання; 9) люк; 10) шар
тепло1золяци
Одним iз чинниюв, як впливають на об'ем виробленого бюгазу, е вид оргашчно' сировини, яка переброджуе. Це пояснюеться деякими вщм^остями в хiмiчному складi гнойово' бюмаси вщ рiзних видiв сшьськогосподарських тварин. Тому визначення об'ему резервуара бiореактора починають iз збирання даних про вид тварин, поголiв'я та об'ем бюмаси, яка потребуе утилiзацГí. Прог-нозування об'ему виходу бiогазу проведено шляхом визначення потрiбного об'ему сировини для забезпечення процесу анаеробного бродшня. Для розрахунку бiореактора запропоновано' конструкцп використано методику Л.1. Гюнтера
226
Збiрник науково-технiчних праць
[3]. n0Tpi6H0 прийняти вихiднi данi: tB - температура бюмаси,°С; W - волопсть субстрату, %; А - зольнкть сухо! оргашчно! сировини, %.
Потрiбний об'ем бiореактора визначено за формулою
V = 100. Бд / D, (1)
де: V - робочий об'ем реактора, м ; Бд - добовий об'ем маси завантажувано! си-
ровини, кг/(м3-доба); D - доза завантаження за об'емом, %;
Визначено добове завантаження бюреактора Бд, кг/(м3 доба)
Бд = S, (2)
т
де: S - концентрация оргашчних речовин у завантажувальнiй сировинi, кг/м3; т -час бродiння, доба.
Концентрацда органiчних речовин визначено iз залежностi, кг/м3:
S = роб .(100 - W)• (100 - A) -10-4, (3)
де: W - волопсть субстрату, %; А - зольнкть сухо! органiчноí сировини, %; роб - густина бюмаси, кг/м3.
Розраховано густину бiомаси, кг/м3
ро6 =-Реих----100, (4)
06 100 + W • (Рейх '1()-3-1) де рейх - густина твердо! фракцп бюмаси, кг/м3.
Визначено кшематичний коефiцiент К за формулою
K = Kr - Мm'S - d , (5)
r B • S - Kr ■ d У J
де Kr - коефiцiент пропорцiйностi.
Визначено коефщкнт пропорцiйностi
Kr = P 38S-205 , (6)
r 100 .(te-17,8)
де: te _ температура процесу бродiння, °С; Р - поправний коефiцiент, (Р= 1 за te=33-53 °С). Визначено максимальну швидкiсть росту мiкроорганiзмiв ¡лт в 6í-омасi, доба-1:
= 0,013-tB - 0,129. (7)
Визначено добовий об'ем бюгазу VE, м3/(м3хдоба)
VR = ^ Í1--K-1, (8)
Б т [ г-Цт-1 +K)
де: В - максимальний вихщ бiогазу, м3/кг; S - концентращя органiчних речовин у завантажувальнiй сировиш, кг/м3; т - час бродшня, доба.
Дослiдження проведено для анаеробного бюреактора, при цьому температура зброджувально! бюмаси te змiнювалась у дiапазонi вiд 35 до 50 °С. Як органiчна сировина використано:
• гнш велико!' рогато! худоби з волопстю W=88 % та зольтстю сухо! речовини А=16 % з густиною твердо! фракцпрвих=1250 кг/м3.
3. Технологя та устаткування лковиробничого комплексу 227
Нaцioнaльний л^техшчний yнiвeрcитeт Укрaïни
гнiй свиней з вoлoгiстю W=88 % та зoльнiстю cyxoï pечoвини А=15 % з густи-
Рис. 2. Добовий об'ем бюгазу i3 гною BРXзалeжнo вiд часу т бродтня та тeмпeратури пропсу te: а) te=35 °С; б) te=40 °С; в) te=45 °С; г) te=50 °С
Рис. 3. Добовий об'ем бюгазу з гною свишй залeжнo вiд часу т бродтня та тeмпeратури прощсу te: а) te=35 °С; б) te=40 °С; в) te=45 °С; г) te=50 °С, de: y - вих1д бгогазу VE, м3/(м3^doбa), х - час 6ро0шия т, óí6
228
Збiрник нayкoвo-тexнiчниx imam.
З рис. 2 та 3 видно, що за певного часу бродшня спостертаються шки виходу бюгазу, це зумовлено добовим завантаженням потрiбного об'ему орга-нiчноi сировини. Також спостережено, що тип зброджувально!' бiомаси впливае на продуктившсть бiореактора. Так, використовуючи гнш вiд свиней з температурою анаеробного бродшня ie=50 °С та термшом гiдравлiчного вiдстоювання т=6 дiб, досягаеться максимум виходу бiогазу К^=3,4 м3/(м3хдобу).
Висновки. На основi виконаного аналiзу пiдтверджено ефективнiсть за-пропонованоi конструкцп малогабаритного бiореактора безперервно!' дц, який працюе в iнтервалi температур бiомаси вiд 35 °С до 50 °С. Для цього температурного дiапазону анаеробного процесу метаноутворення встановлено час, за якого утворюеться максимальний об'ем бiогазу. Отримано графiчнi та аналггич-нi залежностi для визначення прогнозованого добового виходу бюгазу за вико-ристанням вiдходiв велико! рогато! худоби та гною свиней за рiзноi температу-ри зброджувального шламу.
Лiтература
1. Баадер Б. Биогаз: Теория и практика : пер. с нем. М.И. Серебрянного / Б. Баадер, М. Доне Брендерфер. - М. : Изд-во "Колос", 1982. - 148 с.
2. Даффи Дж.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии / Дж.А. Даффи, У.А. Бекман. - М. : Изд-во "Мир", 1977. - 410 с.
3. Гюнтер Л.И. Метантенки : монография / Л.И. Гюнтер, Л.Л. Гольдфа. - М. : Изд-во "Стройиздат", 1991. - 129 с.
4. Соуфер С. Биомасса как источник энергии : пер. с англ. / С. Соуфер, О. Заборски. - М. : Изд-во "Мир", 1985. - 368 с.
5. РатушнякГ.С. 1нтенсифшащя бюконверсй коливальним перемшуванням субстрату / Г.С. Ратушняк, В.В. Джеджула. - Вшниця : Вид-во "УН1ВЕРСАМ - Вшниця", 2008. - 117 С.
6. Желих В.М. Бюгазовпй реактор / В.М. Желих, Ю.В., Фурдас // Патент на корисну модель № 57360 ввд 25.02.2011 р., Бюл. № 4.
7. Желих В.М. Шдтрпмання теплового режиму бюреактора пiд час застосування сонячно!' енергй' / В.М. Желих, Ю.В. Фурдас // Вюник Надiонального унiверситету "Льв1вська полггехш-ка". - Сер.: Теорiя i практика будшнищва. - Льв1в : Вид-во НУ "Львшська полiтехнiка". - 2012. -№ 742. - С. 83-86.
Надтшла до редакцп 13.05.2016р.
Желых В.М., Фурдас Ю.В., Омельчук О.В., Штець В.М, Генсецький М.П. Влияние температурного и физико-химического свойства биомассы на процесс метанообразования в малогабаритных биореакторах
Предложена конструкция бытового биореактора с непрерывным процессом анаэробного брожения. Представлен метод инженерного расчета для определения производительности биогазовых установок, эксплуатируемых на фермерских хозяйствах, в частности установление максимального количества выхода биогаза и эффективного объема суточной загрузки органического сырья при переменных температурах гидравлического отстаивания.
Полученные графические и аналитические закономерности можно использовать при проектировании бытовых биогазовых систем для получения биогаза и утилизации сельскохозяйственных отходов.
Ключевые слова: биореактор, биогаз, метановая ферментация, органические отходы, анаэробное брожение.
Zhelyh V.M., Furdas Y. V., Omelchuk O. V., Shtets V.M., Hensetskyy M.P. The Effect of Temperature and Physico-Chemical Properties of Biomass Process on the Methane Formation in Small Bioreactors
Нащональний лкотехшчний унiверситет Украши
A bioreactor design community with the ongoing process of anaerobic fermentation is suggested. The method of engineering calculation to determine the performance of biogas plants operated at farms is proposed including setting out the maximum number of biogas and effective daily download volume of organic materials under changing temperatures of hydraulic settling. The received images and analysis patterns can be used in the design of household biogas systems for biogas production and utilization of agricultural waste.
Keywords: bioreactor, biogas, methane fermentation, organic waste, anaerobic fermentation.
УДК 674:621.928.93
ОСНОВИ МОКРОГО ОЧИЩЕНИЯ ГА31В
1.М. Озартв1, Г.В. Сомар2, I.A. Соколовський3, М.С. Кобринович4, Т.А. Сомар5, О.М. Левчунець6
Наведено характеры особливост (ознаки) мокрого очищения газово!' сумгш, що юнують у технолопчних процесах виробництв люопромислового комплексу. Розкрито класифшацвд найпоширешших тишв апарапв мокрого очищування газового потоку, тобто пов^я i частинок пилу. Наведено теоретичш основи мокрого очищування газо-вих потоков коли захоплення частинок пилу iз подальшим осадженням пилу проходить краплями рiдини i безпосередньо плiвкою рiдини. Описано механiзми захоплення частинок пилу краплями i плавкою рiдини. Наведено залежностi, що вщображають процес пиловловлювання в апаратах мокрого очищування газового потоку. Ключовi слова: пил, газова сумш, мокре очищення газiв.
Вступ. Вiдомо [1], що технолопчш процеси на пiдприeмствах лкопро-мислового комплексу TicHO пов'язанi i3 видiленнями в атмосферу деревного пилу, нагршу розчинникiв та розрiджувачiв, формальдегiду, фенолу, aMiaKy, лакового пилу, спирпв, барвникiв, дубильних речовин, волокон, срководню та iH. 1нтенсивнкть шкiдливих видiлень залежна вiд виду матерiалy, характеру технологи та режиму роботи. Токсичний i нетоксичний пил, потрапляючи в атмосферу, негативно впливае на навколишне середовище. Сyчаcнi пристро! (апарати) для зменшення газiв умовно можна подiлити на таи [1]:
• мехатчт (cyxi) знепилювальнi пристро! (установки), в яких пил осщае пiд дieю сил земного тяжшня, шерцп та вщцентрових сил;
• гiдравлiчнi (мокрi) апарати, в яких твердi частинки вловлюються рiдинами;
• пористi фiльтри, на яких осщае пил;
• електрофшьтри, в яких пил осаджуеться внаслщок юшзацп газу та зарядження пилу, що знаходяться в них.
До найпоширешших тишв апарапв мокрого очищення газiв вiдноcять такi:
• порожнистi газопромивачi (скрубери);
• газопромивачi з рухомою насадкою;
• мокрочиснi апарати ударно-шерцшно! дц;
1 проф. 1.М. Озаркгв, д-р техн. наук - НЛТУ Украши, м. Львгв;
2 доц. Г.В. Сомар, канд. техн. наук - НЛТУ Украши, м. Льв1в;
3 доц. 1.А. Соколовський, канд. техн. наук - НЛТУ Украши, м. Льв1в;
4 доц. М.С. Кобринович, канд. ф1з.-мат. наук - НЛТУ Украши, м. Льв1в;
5 асшр. Т.А. Сомар - НЛТУ Украши, м. Львгв;
6 шж. I кат. О.М. Левчунець - НЛТУ Украши, м. Льв1в
230
Збiрник науково-техшчних праць
• MOKpi апарати вщцентрово! дп;
• швидюсш турбулентнi газопромивачi;
• залежно вщ створюваного тиску, тобто за аеродинамiчними характеристиками,
MOKpi пиловловлювачi дiлять на групи: низьконатрт (до 1 Па), середньонатр-
Hi (1500.. .4500 Па) та високонатрт (бiльше 4500 Па).
Особливост мокрого очищення ra3iB. Для вловлювання пилу за раху-нок рвдини використовують два 0CH0BHi способи захоплення частинок пилу: краплями рiдини i плiвкою рiдини. У першому випадку запилений потiк повiтря промивають диспергованою рiдиною, коли частинки пилу захоплюються краплями рiдини i виводяться iз газово! сумiшi. Залежно вщ режиму температури газового потоку, тиску i вiдносноí вологостi повггря в процесi промивання може ввдбуватися випаровування крапель або конденсацiя парiв iз повiтряного потоку. Зауважимо, що використання конденсацiйного ефекту значно покращуе оса-дження пилу.
У другому випадку осадження пилу здiйснюють, направляючи потш частинок пилу на поверхню рiдини, або змочену рiдиною стшку, або плiвку спещ-ально створених газових бульбашок (бульок). Тому, залежно ввд способу захоплення, мо^ пиловловлювачi умовно подiляють на два типи: з промиванням газу рщиною; з осадженням пилу на плкку рiдини.
Захоплення частинок пилу краплями. Шд час руху краплi в заповне-ному газом просторi осадження пилу на ньому ввдбуваеться за рахунок кшема-тично! коагуляцп. Розглядаючи механiзм осадження частинок на крапл^ як чисто шерцшних, то коефiцieнт захоплення пзах визначають критерieм Стокса Stk, а кшьккть захоплених частинок в одиницю часу NT становитиме
NT = nsik-n4djL 00-z, (1)
де: 0)o - швидккть вловлювання; z - запиленкть газового потоку; dk - дiаметр краплi. Кiлькiсть частинок пилу, захоплених (1 см3) розпиленою водою буде до-рiвнювати
т., п-d2 6 3 z
Nv =Vstk---00-z---г =-Vstk-— . (2)
4 п-dj3 2 dk
Рiвняння (2) показуе, що ефективнiсть вловлювання за однакових умов зростае iз зменшення дiаметра краплi i може досягати великих значень навиъ для дрiбних частинок.
Захоплення частинок пилу плiвкою рiдини. Пiд час удару частинки об тверду стiнку може ввдбутися вiдскок (рикошет) частинки або прилипання до стiнки скрубера за рахунок сил адгези Рад. Зауважимо, що ввдскок (рикошет) частинки пилу виникае у випадку, коли кшетична енергiя вiдбитоi частинки пилу бшьша за енергда адгезп Еад, тобто
m- о2
, (3)
де: m - маса частинки пилу дiаметром deKB i густиною рч; о - швидккть вiдскоку у припущеннi, що сили адгезп вiдсутнi (о « 0,80 щ,дар, де щдар _ швидккть частинки при ударО;
