автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Совершенствование электроимпульсной технологии при получении биогаза из органических отходов

На правах рукописи

Наумова Ольга Валерьевна

,«

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ БИОГАЗА ИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2005

Работа выполнена в федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор

Ерошенко Геннадий Петрович

оппоненты: доктор технических наук, профессор Артюхов Иван Иванович

кандидат технических наук, доцент

Усанов Константин Михайлович

филиал «ПоволжСЭП» ОАО «Волгаэнергопроект - Самара» РАО ЕЭС России.

Защита состоится 29 сентября 2005 г. на заседании диссертационного совета Д 220.061.03. при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, д.60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саратовского государственного аграрного университета имени Н.И. Вавилова.

Автореферат разослан_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н.П. Волосевич

jsâotf

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие животноводства и птицеводства создали глобальную проблему утилизации большого объема органических отходов, основными источниками которых являются крупные животноводческие и птицеводческие комплексы. Органические отходы перерабатывают во всем мире, получая ценные удобрения и биогаз. Существующие технологии не исчерпывают возможный потенциал биомассы. Для увеличения выхода биогаза в установках по переработке биомассы используют различные способы. Хорошие результаты получают за счет дискретно-импульсного ввода энергии с помощью роторно-рлпульсного аппарата, который обычно выполняют в виде дисков или коаксиальных цилиндров с перфорированными поверхностями. Однако такие установки имеют большую материалоемкость и сложность в эксплуатации.

Разработан способ активации процесса анаэробного сбраживания с использованием высоковольтной обработки, которая позволяет повысить качество органических удобрений и сократить срок их получения. Однако, предложенный способ не дает возможности увеличить объем получаемого биогаза из-за недостаточной изученности влияния электроимпульсных процессов на выход биогаза.

Работа выполнена по научному направлению 1.2.9: «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в АПК Поволжского региона до 2010 г.» (№ гос. per. 840005200), а также соответствует плану НИР СГАУ им. Н.И. Вавилова по теме №6 - «Повышение эффективности систем энергетического обеспечения систем АПК».

Цель исследования: повышение выхода биогаза при анаэробном сбраживании куриного помета, за счет использования импульсной электротехнологии в процессе подготовки органического субстрата к сбраживанию.

Объект исследований: биогазовая установка с встроенной системой электродов, позволяющей инициировать процесс анаэробного сбраживания водного субстрата куриного помета на начальном этапе. Под субстратом понимается смесь куриного помета и воды в соотношении 1: 2, соответственно.

. foc национал ьча» ?

БИБЛИОТЕК" J Cdcttttbrr «И

» О® Щ? иеГ^д \

..... -л *

Научная новизна:

- способ анаэробной переработки органических веществ водного субстрата куриного помета под воздействием электрических разрядов, техническое решение которого и метод его осуществления защищены патентом;

- аналитическое описание процессов выхода биогаза, позволяющее оценить влияние высоковольтного разряда на интенсивность процесса;

- экспериментальный метод установления оптимального режима высоковольтной обработки водного органического субстрата за счет трансмиссионно-резонансной КВЧ/СВЧ -радиоспектроскопии высокого разрешения, позволяющей оценить активность микроорганизмов;

- дополнительный газовый разрядник для высоковольтной обработки биогаза, обеспечивающей расщепление его на отдельные газовые составляющие, в процессе анаэробного сбраживания, для частичной очистки биогаза и повышения выхода метана.

Практическая ценность работы.

Разработаны новая технология, оборудование и комплекс устройств, обеспечивающих повышение выхода биогаза из водного органического субстрата и эффективную переработку органических отходов сельскохозяйственного производства. Электротехнологический процесс способствует повышению выхода биогаза в 3-5 раз с единицы объема сбраживаемого вещества при одновременном получении экологически чистых органических удобрений с улучшенными агрохимическими свойствами.

Реализация результатов работы: Способ повышения выхода биогаза из водного органического субстрата куриного помета при обработке его электрическим разрядом и устройства для высоковольтной обработки, а также газовый разрядник, предназначенный для перераспределения газовых ингредиентов и увеличения процентного содержания метана, прошли апробацию и внедрение в ЗАО «Балашовская птицефабрика», Саратовской области.

Научные положения, выносимые на защиту:

- новое конструкторско-технологическое решение по проек-

тированию биогазовой установки на основе электротехнологии;

- теоретическо-экспериментальные данные по влиянию высоковольтной обработки на выход биогаза;

- способ и методика исследования процесса переработки отходов в виде органического субстрата куриного помета при анаэробном сбраживании, благодаря воздействию импульсного электрического разряда на жидкую составляющую или ее смеси с органическими твердыми веществами;

- закономерность повышения эффективности высоковольтной обработки, проявляющаяся в создании электрических полей вследствие электролитической диссоциации, ведущей к изменению свойств и активности водного субстрата куриного помета за счет ионного обмена заряженных частиц

Апробация работы: Основные положения диссертации и ее результаты доложены и получили одобрение на следующих конференциях: научно-технических конференциях Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова (Саратов, СГАУ, 2004-2005); научно-практической конференции Саратовского государственного технического университета (Саратов, СГТУ, 2004); международной научно-практической конференции в Пензе (Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии. Сб. материалов 6-ой Международной научно-практической конференции. Пенза: РИО ПГСХ. 2004), на научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 117-годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова, Саратов, 2004, на III Всероссийской конференции в Камышине (Инновационные технологии в обучении и производстве. 2005).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе в сборниках научных трудов, материалах научных конференций, описании к патенту РФ, сборнике докладов РАН. Общий объем публикаций составляет 1,4 п.л., из которых 0,9 п.л. принадлежит лично соискателю.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений, изложена на 124 страницах машинописно-

го текста, содержит 5 таблиц, 34 рисунка и 3 приложения.

Список литературы включает 108 наименований, из них 7 на иностранном языке

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности выбранной темы и изложение основных положений, выносимых на защиту

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» приведен обзор существующих биогазовых установок и технологий переработки органических отходов с целью получения удобрений и биогаза; кроме того, проанализированы области применения высоковольтной импульсцой обработки для совершенствования различных технологических процессов. На основе анализа литературных источников и патентного поиска обоснована цель диссертации и сформулированы научные задачи.

Технология анаэробной переработки органических отходов и получения биогаза в настоящее время является актуальной задачей; большой вклад в развитие данного направления внесли такие ученые, как Амерханов P.A., Бородин И.Ф., Панцха-ва Е.С., Виестур У.Э., Баадер В., Доне Е., Форстер К.Ф.

В результате литературного анализа установлено, что процесс анаэробного сбраживания органических отходов нуждается в совершенствовании, а именно в активации процесса сбраживания с целью повышения выхода биогаза.

На основании этого были сформулированы следующие задачи:

1) провести анализ существующих способов анаэробного сбраживания органических отходов и конструктивных особенностей биогазовых установок;

2) разработать способ, обеспечивающий увеличение выхода биогаза при анаэробной переработке органических веществ из водного субстрата куриного помета под воздействием электрического разряда;

3) разработать методику описания процессов анаэробного сбраживания и теоретически обосновать влияние электроимпульсной обработки на процесс получения биогаза;

4) доработать электрическую схему и обосновать параметры электроимпульсной установки;

5) разработать методику эксперимента и создать экспериментальную биогазовую установку;

6) исследовать изменение количества получаемого биогаза и состав газовой среды при воздействии электрическим разрядом;

7) провести сравнительные исследования и экономически оценить предлагаемое техническое решение.

Во второй главе «Теоретические предпосылки электротехнологического способа интенсификации выхода биогаза» для теоретического обоснования результатов эксперимента был произведен анализ факторов, влияющих на выход биогаза, в результате которого были приняты определенные допущения, позволяющие описать процесс.

До настоящего времени еще не создана общепризнанная математическая модель теоретического описания микробиологического процесса сбраживания органического субстрата.

Анализ процесса выхода биогаза показывает, что скорость истечения газа затрагивает сложные термодинамические процессы. Выход газа напрямую зависит от температуры сбраживания, гранулометрического состава фракций, концентрации органического вещества в исходном субстрате, влажности, зольности на сухую массу, кислотности среды, скорости перемешивающих устройств. Учесть все эти факторы очень сложно. Поэтому в диссертационной работе приняты известные допущения по изучению объема выхода биогаза.

Для повышения эффективности воздействия предлагается использовать систему электродов, позволяющую осуществлять чередование разрядов в виде волны Причем, конструкция разрядника спроектирована таким образом, что зазоры между электродами, выполнены изменяющимися по высоте метантенка. Вначале срабатывает одна пара электродов, а затем - обе пары. Таким образом, вначале инициируется разряд в малом объеме, а затем, после окончания предварительной стадии обработки, начинается вторая - основная стадия разряда в большем объеме, создавая бегущую волну Перенос энергии распространяется вдоль столба жидкости, выводя ее из состояния равновесия.

Структурная схема объекта изучения представлена на

Рис 1 Структурная схема объекта исследования 1 - метантенк, объемом V,

2 - система электродов с изменяющимся зазором, Э, 3 - дополнительный газовый разрядник для высоковольтной обработки биогаза, объемом V и с

электродами Э'

Газ, выходящий из метантенка, СУ, поступает в газовый разрядник, представляющий собой небольшую камеру с электродами Э Поток биогаза подвергается электроимпульсной обработке, в результате которой происходит перераспределение газовых ингредиентов и повышение процентного содержания метана; биогаз с улучшенными качественными свойствами, О1, поступает к потребителю.

На процесс анаэробного сбраживания, а, следовательно, на рост и развитие микроорганизмов, ответственных за выход биогаза, влияют тепломассобменные процессы. Основным элементом таких процессов является диффузия. Процесс пере-

носа в сплошной среде обусловлен наличием градиента концентрации и вектора скорости. Учесть совместное действие этих факторов позволяет уравнение конвективной диффузии (закон Фика):

DgradC-ndf, (1)

где D - коэффициент молекулярной диффузии, D = 1,7 Ш9 м2/с; С - концентрация вещества, КОЕ/1мл; п - единичный вектор нормали к поверхности.

По предложению P.A. Амерханова, используя теорему Остроградского, уравнение баланса для выделенного элемента метантенка запишется следующим образом:

JJJ— + div (С w) - div (D grad С) = 0. (2)

Объем выбран произвольно, поэтому подынтегральное выражение равно нулю:

/у!

— + div(C й) - div (D grad С) = 0. (3) сх

Последнее уравнение называется уравнением конвективной диффузии и описывает перенос вещества диффузией и конвекцией.

Скорость потребления компонентов субстрата, а, следовательно, и объем выхода биогаза зависит от концентрации микроорганизмов в субстрате и от их площади. Уравнение конвективной диффузии не учитывает изменение концентрации вещества в среде, обусловленное процессом реакции. С учетом изменения концентрации уравнение (2) можно записать следующим образом:

— = div (£> grad С) - div (Cw) -Q,= 0, (4)

CT

где Qt - скорость выхода биогаза из субстрата в процессе биосинтеза.

В работе рассматривается водный органический субстрат, поэтому допускаем, что он обладает всеми свойствами жидкости. Так как жидкость несжимаема и плотность р = const, то div w = О, тогда полученное уравнение (4) можно упростить:

сС

(5)

— = ¿/V (£> С)-(м> &ас1 С) - £?(. ст

Процессы, протекающие в биогазовой установке, будем рассматривать как стационарные, тогда уравнение примет вид:

div(DgradC) - (w gradC)-Qt =0.

(6)

В метантенке большая часть органических частиц находится в жидкой фазе. Поэтому можно считать, что все частицы перемещаются с одинаковой скоростью, и это позволяет рассматривать диффузию в условиях неподвижной среды, т.е.

В итоге уравнение (6) можно записать следующим образом: div(DgradC)-Qt= 0 (7)

или

div(D grad С) = Qt. (8)

В приведенных уравнениях процесс представлен в объеме и идет по всем направлениям в пространстве.

Для теоретического рассмотрения процессов анаэробного сбраживания выделим элементарный объем метантенка (рис 2), в котором коэффициент молекулярной диффузии меняется во времени и остается постоянным в пространстве.

div у Ф О

Рис 2 Элементарный объем метантенка 8

Если допустить, что коэффициент диффузии О меняется во времени и остается постоянным в пространстве вдоль оси у, то (8) можно расписать следующим образом-

Скорость выхода биогаза (), зависит от концентрации, (), = /(С) , а концентрация, в свою очередь, является функцией от механической, тепловой или электрической энергии ]¥„ которая сообщается субстрату, следовательно С = От-

сюда можно предположить, что если концентрация возрастет, то увеличится выход биогаза. Зависимость выхода биогаза от подведенной энергии определяется степенной зависимостью

<2 = кЖт, где т - коэффициент чувствительности изменения концентрации к изменению энергии.

Так как диффузия принимается постоянной в пространстве, то уравнение (9) примет вид:

где Сг - концентрация газа по высоте метантенка, л/м3; (9, -скорость выхода биогаза, л/сут.

Таким образом, вторая производная изменения концентрации по высоте метантенка и диффузия оказывают большое влияние на скорость выхода биогаза из водного органического субстрата. Следовательно, для увеличения эффективности процесса сбраживания, необходимо вводить энергию так, чтобы формировать изменение концентрации по высоте метантенка. С этой целью необходимо сконструировать систему электродов с изменяющимся по высоте зазором, формирующую электрогидравлический удар в направлении выхода биогаза.

-

(10)

Скорость выхода биогаза при традиционной (),1, и предлагаемой (),2, технологиям, описывается уравнениями:

(И)

(12)

Отсюда видно, что основное влияние на выход биогаза оказывает динамика концентрации газа по высоте метантенка, а также коэффициент диффузии. Для интенсификации процесса необходимо увеличить ускорение концентрации по высоте.

Энергия электрического разряда, как и любая другая энергия (механическая, гидравлическая, химическая), сообщаемая среде, приводит к изменению концентрации вещества. В существующих биогазовых установках наиболее распространенным способом поддержания оптимальных условий для процесса анаэробного сбраживания, служит подведение тепловой (нагрев) и механической (мешалки различной конструкции) энергии. Основным фактором, от которого зависит скорость выхода биогаза, является концентрация биогаза в субстрате по высоте метантенка. Концентрация биогаза зависит от площади поверхности метанообразующих бактерий, которые зарождаются в процессе анаэробного сбраживания. Однако, обратившись к эмпирическим данным, установлено, что площадь поверхности микроорганизмов в субстрате, подвергнутом обработке электрическим разрядом в 2,5 раза больше, чем в субстрате не прошедшем обработку. Из предположения, что концентрация биогаза зависит от подведенной энергии Сг- /(1У}) и скорость выхода биогаза () — /(1¥:), получено:

где т - коэффициент чувствительности изменения концентрации к изменению энергии.

СЧу) = Щт(у)-

с2(у) = К(у),

т

т

(14)

(13)

Тогда, выражения (13) и (14) примут вид:

д2К(у))_п .

В (15)

ду

ду

где Щ"1, IV™ - энергии, подведенные к субстрату, при традиционном способе и с использованием электротехнологии, соответственно, Вт; Ql¡, 0,2 - скорости выхода биогаза, соответственно, по традиционной и предлагаемой технологии, л/сут. После преобразований выражений (15) и (16) получаем:

Пт(т-Щт'2(у) = а1, (17)

Пт(т-1ЖГ2(У) = 612- (18)

Разделив выражение (17) на (18) получим следующее соотношение:

Шт~2 О

= (19)

КГ2 <2а

Энергия, которую необходимо сообщить субстрату, для повышения выхода биогаза, определяется по выражению:

№Г2=1ГГ2-%к,гдет,2, {¡¥2 <Жтах}. (20)

Оа

Таким образом, установили, что электрический разряд обеспечивает подведение необходимой энергии на начальном этапе анаэробного сбраживания. Применение высоковольтной импульсной обработки водного органического субстрата с целью повышения выхода биогаза является целесообразным и может быть применено в фермерских хозяйствах и на крупных промышленных объектах.

Экспериментально доказано, что, воздействуя электрическим разрядом на водный органический субстрат можно менять концентрацию микроорганизмов в нем При этом концентрация микроорганизмов в субстрате, не подвергавшемся высоковольтной обработке, составила - 8107, а в субстрате, обработанном по предлагаемой технологии - 9-108 КОЕ в 1 мл.

Для подведения электрической энергии к водному органическому субстрату, находящемуся в метантенке, можно использовать различные способы. Как показывает практика, наиболее эффективным способом в данном случае являются импульсные технологии. Для их реализации целесообразно применять простые и надежные генераторы импульсов типа НС, построенные по схеме, представленной на рис. 3.

Генератор состоит из источника высокого напряжения, выполненного ввиде повышающего трансформатора Тв, который подключается первичной обмоткой к стандартной сети переменного напряжения Вторичная обмотка с повышающим напряжением и2 подключается через регулирующий резистор К; и выпрямитель КО к накопительному конденсатору С. Перечисленные элементы образуют цепь заряда.

Рис 3 Принципиальная электрическая схема установки' Тв - трансформатор, (7/ - первичное напряжение в сети, II2 - высокое напряжение, 1'7) - выпрямитель, С - емкость конденсатора, К - формирующий разрядник, РР -разрядник в камере, Л; и Я2 - резисторы

Конденсатор подключен через формирующий разрядник (коммутатор) К и предохранительный резистор Я2 к рабочим электродам разрядного зазора, расположенного внутри метан-тенка. Эти элементы образуют цепь разряда.

Рабочий процесс импульсной установки определяется тем, что в ней применяются нелинейные элементы: диод, разрядник и т.п. Для исследования таких схем применяют метод припасовывания, когда рабочий процесс разделяется на стадии, в пределах которых участвующие элементы можно считать линейными. В соответствии с этим рабочий процесс имеет две стадии:

1 стадия- заряд конденсатора С через выпрямитель УО и резистор /?/ в течение времени 7; до напряжения начала разряда;

2 стадия - разряд конденсатора между электродами при напряжении 1)2 в течение времени Т2. На этой стадии осуществляется подвод необходимой энергии к биомассе.

Для получения требуемых результатов целесообразно выполнить качественный анализ, а затем - количественные исследования. На каждом этапе принимаются общепринятые допущения: напряжение сети имеет синусоидальную форму, нелинейные элементы являются идеальными, а их параметры не зависят от режима работы.

При выборе параметров импульсной установки необходимо соблюдать условие Т1>> Т2. Это обеспечивает выделение в рабочем зазоре во время разряда, мощности, в десятки раз большие мощности источника питания.

Качественное описание процессов заряда и разряда конденсатора состоит в следующем. В каждый положительный полупериод с напряжением 1/2, конденсатор С заряжается ступенчато до напряжения и0. В этот момент происходит разряд конденсатора С через коммутатор К на рабочие электроды. В зазоре возникает импульсный ток гр (рис. 4).

Известно, что длительность заряда Т) зависит от величины Я] и напряжения IIо, а также емкости конденсатора С. Длительность полупериода Т2 и ток разряда /р зависит от параметров разрядного промежутка и резистора Я2. Эти процессы определяют энергию, выделяющуюся в зазоре.

При количественном описании процессов в генераторе исходными данными служат необходимая энергия в зазоре IV, и начальное напряжение пробоя и0. Поэтому определение параметров импульсной установки потребует нетрадиционного подхода.

и, ,В» и,,В,,

а б

Рис 4 Основные характеристики импульсного устройства а - стадия заряда, б - стадия разряда

Обычно в теории импульсных генераторов типа ЯС составляют расчетные схемы для стадии заряда и стадии разряда. Затем составляют уравнение для заданных параметров схем, и после исследования определяют энергетические характеристики.

В нашей задаче известны необходимая энергия в зазоре IV, которая обеспечивает требуемый градиент концентраций по высоте метантенка, а также максимальная энергия Штах, которая гарантирует эффективное протекание биотехнологического процесса. Превышение рекомендуемой энергии может привести к резкому снижению активности метанообразующих бактерий, а следовательно, к уменьшению выхода биогаза.

Кроме этого, опытным путем установлено, что длительность импульсов разряда должна лежать в пределах (1 - 6)-10"3 с Длительность заряда выбирается исходя из условий эффективности энергетических процессов импульсного генератора.

С учетом исходных данных и известных положений теории импульсных генераторов типа ЯС, принимаем следующую методику обоснования параметров:

1) расчет емкости конденсатора С;

2) определение параметров зарядного резистора Я1;

3) определение параметров коммутатора разрядов;

4) определение мощности и энергетических характеристик всего импульсного устройства.

Запишем уравнение энергии, передаваемой из контура заряда в контур разряда:

иг = С{и*~и"\[ Вт], (21)

где и0 - напряжение начала разряда, {/о = 7 кВ; 11 „ - конечное напряжение, при котором разряд прекращается, кВ; С - емкость конденсатора, мкФ.

Рабочий процесс импульсного генератора имеет оптимальный режим при выполнении условий:

ио = 0,7 -кт •£/,; ип=Ъ,\-кт-их, (22)

и2

где кт- коэффициент трансформации, кт = —.

С учетом этого энергия, запасенная в конденсаторе и передаваемая в разрядный узел равна:

у=Ц4«-СЦ'У

Однако, в зазоре выделяется не вся, а часть энергии, тогда с учетом КПД разрядного контура т^ энергия разряда будет равна:

(24)

В свою очередь ц2 зависит от параметров разрядного контура: индуктивности Ь2, сопротивления и емкости конденсатора С, а также коэффициента связи контуров заряда и разряда т Учитывая, что в нашей схеме индуктивность Ь2 —* 0, а т —* оо, то находим, что г)2 = 0,25.

Подставляя (22) в (23), определяем емкость конденсатора-

с, (25)

Т т2 2 тт2 2 4 '

Т]2,и1 • кт их • кт

Поисковые опыты и литературные данные свидетельствуют,

что продолжительность разряда составляет = - 6^10~3 с.

При меньшем значении - не достигается необходимая интенсивность процесса, а при большем - возможна гибель анаэробных бактерий, ответственных за выход биогаза

Поскольку значение емкости С известно, то необходимое соотношение Г,» Хк, можно обеспечить за счет выбора сопротивления зарядного резистора/?/.

Т

Скважность импульсов # = — существенно влияет на ха-

^и

рактеристики импульсного устройства. С ростом скважности увеличивается амплитуда и уменьшается длительность импульса. Это приводит к снижению КПД и резкому увеличению температуры в канале разряда и на электродах, достигая десятков тысяч градусов. Это затрудняет подбор материалов для электродов.

Для импульсной установки, необходимой для активации биотехнологических процессов, выбираем импульс со средней скважностью 10 > д > 2. Тогда, период и постоянная времени заряда конденсатора определятся по формуле:

Т = Я-К, (26)

Т„=ЯХ-С. (27)

Из совместного решения системы уравнений (26), (27), учитывая, что заряд заканчивается через (3~4)Т„, находим:

Я = . (28)

С

Коммутатор напряжения, как отмечалось, служит для создания разряда при необходимом напряжении. Для этих целей могут использоваться разнообразные устройства. Для разработки импульсного устройства выбран простой, надежный и стабильный в работе разрядник виде двух дисков, расположенных на расстоянии 1,8-2,0 мм. Для создания равномерного

поля диаметры дисков должны быть 20 мм; диски расположены параллельно друг другу и имеют скругленные края {г = 2мм). Один из дисков должен иметь возможность подрегулировки расстояния (например, располагаться на стержне с резьбой).

Мощность импульсной установки может быть определена через энергию, запасенную в конденсаторе (23) и частоту следования импульсов по формуле:

Р = = (29)

и2 — 1

Электроимпульсный разряд создает в водном органическом субстрате электрогидравлический удар, который приводит к следующим положительным эффектам: разрушению и измельчению органики, возникновению явления фазового перехода, активации процесса зарождения и роста микроорганизмов, ответственных за выход биогаза, увеличению площади поверхности метанообразующих бактерий и повышению выхода биогаза.

Электроимпульсный разряд скачком меняет термодинамические характеристики: плотность, магнитную и электрическую восприимчивость и ряд других особенностей в поведении водного органического субстрата. При перестройке структуры водного раствора органических веществ, образовавшиеся активные центры изменяют соотношение скоростей отдельных стадий сложной каталитической реакции анаэробного сбраживания, усиливая электронный обмен между органическими веществами и жидкой средой. При температуре 25 °С и атмосферном давлении полная энергия взаимодействия молекул субстрата составляет 4,5-5 ккал./моль, а после воздействия электрическим разрядом энергия взаимодействия молекул водного субстрата с ионами составляет десятки и даже сотни ккал./моль, за счет того, что ионы прочно связывают ближайшие молекулы органического субстрата, образуя более плотный слой в нижней части метантенка. В процессе анаэробного сбраживания для того, чтобы частицы субстрата могли перейти из нижнего слоя в верхний, необходимо преодолеть потен-

циальный барьер, разделяющий два положения равновесия. Следовательно, образуется система, состоящая из верхнего слоя жидкости, с легко подвижными заряженными частицами органического субстрата, среднего или промежуточного слоя, и нижнего макромолекулярного слоя органического субстрата. Каждый из этих слоев имеет определенный энергетический уровень, который меняется в процессе анаэробного сбраживания, оказывая влияние на ход реакции.

Причем перемещение частиц органических веществ в процессе химического расщепления происходит скачкообразно из нижнего слоя в верхний, минуя жидкую промежуточную фазу, совершая тем самым активированный переход, что приводит к появлению на поверхности субстрата новых заряженных частиц, влияющих на перестройку реакционных центров активированных веществ. По окончании процесса разложения органического субстрата при сбраживании наблюдаемый процесс ослабевает за счет рекомбинации и частицы, находящиеся на верхнем энергетическом уровне, переходят на нижний уровень энергии, а вся система переходит в пассивное состояние. Обнаруженная закономерность фазового перехода связана со спецификой изменения атомно-молекулярного строения структуры воды. Сравнивая значения электрических параметров, контактирующих поляризованных фаз, проводимость в которых обуславливается одновременным перемещением ионов и электронов; при этом происходит разложение материалов, можно оказывать воздействие на тот или иной гетерогенный процесс.

Водный раствор органического субстрата после высоковольтной обработки представляет собой систему, состоящую из 3-х отдельных слоев (рис.5). Слои являются проводящей средой и имеют свою электропроводность (у) и диэлектрическую проницаемость (е). Причем средний слой представляет собой потенциальный барьер V, который электроны могут преодолеть лишь при условии, когда их энергия не менее:

= (30)

где 1¥э - энергия электрона, эВ, д - электрический заряд, Кл, II-напряжение, В.

СО О О ОО

о> оо-

СО СО О ООО

Верхняя незаполненная зона ("Зона проводимость")

Нижняя заполненная зона ("Зона проводимость")

Рис 5 Распределение энергии в жидком субстрате

На рис. 5. представлена схема расположения 3-х уровней энергии после воздействия высоковольтного электрического импульса Эти уровни разделены значительными интервалами энергии.

В работе был установлен факт существования биоэлектрических полей в процессе биохимического расщепления биоорганической массы, подвергнутой высоковольтному разряду, в результате которого наблюдается граница раздела.

Наличие электрического потенциала способствует увеличению числа микроорганизмов, ответственных за выход биогаза, и дает возможность управлять технологическим процессом. Кроме того, увеличивается вероятность качественного изменения свойств получаемых конечных продуктов

В третьей главе «Методика и оборудование для экспериментальных исследований» изложены методика исследования влияния высоковольтной обработки на активность микроорганизмов, ответственных за выход биогаза, методика микробиологических исследований, определяющая размеры биопленок, и методика, позволяющая оценить влияние электрического разряда на общий выход биогаза и процентное содержание метана в нем.

Для анализа влияния высоковольтной обработки на активность микроорганизмов и их рост, использовался метод трансмиссионно-резонансной КВЧ/СВЧ - радиоспектроскопии, разработанный учеными СФ ИРЭ РАН Н.Э. Синициным, В.И. Петросяном и В.А. Елкиным. Данный метод позволил в

динамике проследить перестройку структуры основного компонента и оценить воздействие коронного разряда на формирование новых центров биохимической реакции.

Для оценки размеров биопленок из микроорганизмов, выращенных на подложках из полистирольных пластин, использовался метод микробиологических исследований. Полученные биопленки извлекались из субстрата, не обработанного электрическим разрядом и подвергнутого обработке; укладывались на предметное стекло микроскопа и анализировались по стандартной методике, при увеличении равном 10, после чего проводилось фотографирование объекта.

Влияние высоковольтной обработки на состав биогаза и процентное содержание метана в нем оценивалось при помощи газоанализатора ГИВ-М, работа которого основана на изменении сопротивления чувствительного слоя датчика при появления углеводородных газов в контролируемой среде.

В четвертой главе «Результаты исследований и их анализ. Оборудование для высоковольтного разряда» представлены экспериментальные данные, полученные после обработки водного органического субстрата высоковольтным импульсным разрядом.

Для проведения эксперимента создана лабораторная биогазовая установка, объемом 20 л., обеспечивающая производительность 0,733 л/сут. Активация процесса сбраживания осуществлялась с помощью электрических разрядов от генератора типа ЯС. Экспериментально были определены электрические характеристики импульсного генератора. Детальное изучение процессов в импульсном генераторе проведено с помощью программы МаЙаЬ 6.5. На рис. 6,а, представлена схема генератора, на рис. 6,6 - экспериментальные характеристики импульсного устройства Результаты эксперимента свидетельствуют о достаточно хорошем совпадении качественных (рис. 4) и экспериментальных данных (рис. 6,6). Полученные данные подтверждают правильность расчетов параметров импульсного генератора.

а)

и„ кВ

и„ кВ

► о

б)

н—►

(,с

V,, Вк

¡от - -

и„в

4—►

-I—►

ис

в г

Рис 6а- схема генератора, б - экспериментальные характеристики импульсного устройства, в - стадия заряда, г - стадия разряда

Для определения рационального режима импульсной обработки водного субстрата куриного помета использовалась трансмиссионно-резонансная КВЧ/СВЧ - радиоспектроскопия высокого разрешения, позволяющая оценить структурные изменения, происходящие в субстрате и увеличение активности метанобразующих бактерий, при воздействии электрическим разрядом. Предметом изучения служит обработанный и необ-

работанный электрическим разрядом органический субстрат в процессе сбраживания. Анализируя спектры водного органического субстрата, полученные в миллиметровом диапазоне волн, можно отметить, что жидкая составляющая субстрата, подвергнутая воздействию электрического разряда, обладает повышенной радиочувствительностью. На рис. 7 представлены спектры водного органического субстрата, не прошедшего обработку и подвергнутого воздействию электрического разряда различным количеством импульсов. Анализы спектральных характеристик, полученных путем варьирования количеством разрядных импульсов, указывают на то, что можно перестраивать структуру водного органического субстрата, изменять энергию активации, создавая новые центры биохимической реакции. Кроме того, в процессе анаэробного сбраживания наблюдается высокая активность зарождения и роста микроорганизмов, ответственных за процесс метанового

субстрат, 2,3,4 - субстрат, обработанный коронным разрядом импульсами в количестве 1, 3, 7 соответственно, п - количество импульсов

Исследования по изменению структуры водного органического субстрата позволили установить оптимальный режим высоковольтной обработки (напряжение \3г = 1 кВ, количество импульсов п = 5) и разработать наиболее благоприятные условия для активации процесса сбраживания и интенсификации выхода биогаза. Экспериментальным путем установлено предельное значение энергии подаваемого импульса, превышение которой приведет к резкому снижению активности метанообразующих бактерий, а, следовательно, к уменьшению выхода биогаза.

Результаты выполненных микробиологических исследований и фотографии микроорганизмов подтверждают что, варьируя энергией высоковольтного электрического разряда, воздействующего на биоорганическую массу субстрата, удается повысить интенсивность метанового сбраживания и обеспечить эффективное и селективное управление реакциями, протекающими в процессе производства биогаза.

На рис. 8 представлены штаммы метанообразующих бактерий.

Биопленка из метанобразующих бактерий, представленная на рис. 4.2,6, является продуцентом биологически активных веществ, подвергнутых воздействию высоковольтного электрического разряда. Полученные по предлагаемой технологии биопленки отличаются большей (в 2,5 раза) площадью поверхности, а, следовательно, способностью продуцировать большее количество биогаза.

а б

Рис 8 Биопленки из метанообразующих бактерий, полученные путем анаэробного сбраживания без использования высоковольтного электрического разряда (а) и с использованием высоковольтного электрического разряда (б)

Экспериментально установлено, что предварительная обработка биомассы высоковольтным импульсным разрядом способствует активации биохимических процессов и, как следствие, более интенсивному распаду органических веществ и увеличению выхода биогаза, о чем свидетельствуют результаты исследований (рис. 9).

а л 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

Рис 9 Зависимость выхода биогаза из водного органического субстрата от времени сбраживания 1 - подвергнутого обработке коронным разрядом,

2 - без обработки

Анализ полученных данных указывает на очень медленный процесс разложения субстрата и на малый выход биогаза при существующем технологическом процессе (кривая 2) Активация электрическим разрядом органического субстрата, позволяет увеличить в 5 раз выход биогазовой смеси, по сравнению с традиционной технологией. Сопоставление теоретических расчетов (20) с экспериментальными данными подтверждает правильность расчетов по предложенной методике.

Биогаз, выходящий из метантенка по трубопроводу 1 поступает в разрядную камеру 4, в которую через высоковольтные вводы 2 подается разрядный импульс, способствующий процессу разложения биогаза и его очистке (рис. 10).

Рис 10 Дополнительный газовый разрядник для обработки биогаза 1 - газовый трубопровод, 2 - высоковольтный ввод, 3 - выходной патрубок для подсоединения к газоанализатору, 4 - камера с разрядником

Установлено, что электроразряд при пропускании сквозь биогаз вызывает интенсификацию процесса разложения газовых составляющих смеси, облегчая тем самым процессы разложения и очистки, а также увеличивая процентное содержание метана на 10 %.

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность воздействия электрического разряда на процесс выхода биогаза» изложены основные экономические показатели, оценивающие эффективность капитальных вложений в применение высоковольтной обработки при сбраживании водного органического субстрата, и приведены результаты производственных испытаний.

Производственные испытания показали высокую эффективность применения высоковольтной обработки органического субстрата с целью повышения выхода биогаза.

Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность биогазовой установки в 2,5 раза. Экономический эффект от использования оборудования для высоковольтной обработки на базе биогазовой установки составил 149 тыс. руб./ год (расчет произведен для птицефабрики, рассчитанной на содержание 30 ООО кур-несушек, 2005 год). Расчетный срок окупаемости капитальных вложений составил 0,31 года, что намного меньше нормативного показателя и говорит об инвестиционной привлекательности проекта Небольшой срок окупаемости предлагаемого способа повышения выхода биогаза объясняет-

ся модернизацией уже существующего оборудования и внедрением новой революционной технологии.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных источников свидетельствует о возрастании интереса к способам переработки органических отходов с целью получения биогаза и удобрений. Существующие технологические процессы получения биогаза не исчерпывают потенциальные возможности биомассы; выход биогаза при существующем технологическом процессе не превышает 3 м3 с 1 м метантенка. Поэтому научный интерес представляет разработка новой технологии переработки органических отходов, позволяющей увеличить выход биогаза

2. Проведенные теоретические исследования позволили доказать, что главным фактором, определяющим скорость выхода биогаза, является вторая производная изменения концентрации по высоте метантенка. Установлено, что динамика концентрации изменяется в степенной зависимости от количества подведенной в биомассу энергии (выражения 13, 14). Определено максимально допустимое значение импульсной энергии исходя из условия сохранения биологической активности метанообразующих бактерий (выражение 20). Превышение отмеченного предела угнетает процесс выхода биогаза.

3. Для реализации теоретических положений интенсификации выхода биогаза предложена новая система основных электродов, состоящая из 3х пар электродов (взамен 1 паре) с изменяющимися по высоте метантенка зазорами, обеспечивающая чередование разрядов в объеме метантенка и создание бегущей волны, что увеличивает изменение концентрации биомассы по высоте и выход биогаза.

4. Разработана методика расчета электрических параметров электроимпульсной установки в зависимости от заданной энергии IV и продолжительности импульса 4 При этом определено: сопротивление зарядного резистора /?;=30 кОм, емкость конденсатора С = 1 мкФ, параметры разрядника (зазор А = 1,8-2 мм), скважность импульсов ц = 5, период импульсов Ти = 0,03с,

5. Разработана и изготовлена экспериментальная биогазовая установка с основной и дополнительной разрядными ка-

мерами. Эксперименты подтвердили теоретические положения об увеличении выхода биогаза в 2-5 раз на единицу объема метантенка. При обработке биогаза в дополнительном газовом разряднике, процентное содержание метана увеличивается на 10 % за счет перераспределения газовых ингредиентов и частичной очистки биогазовой смеси.

6. При проведении экспериментальных исследований выявлено явление фазового перехода в водном субстрате куриного помета, подтверждающее возникновение электрического тока в субстрате, подвергнутом обработке электрическим разрядом. Установленное явление доказывает ускорение электронного обмена между частицами и объясняет появление

" активных частиц в субстрате.

7. Методом КВЧ/СВЧ подтверждено увеличение активности микроорганизмов в водном органическом субстрате при воздействии высоковольтной обработки. Данный метод позволил определить оптимальные режимы обработки: начальное напряжение U0 = 7 кВ, количество импульсов 5.

8. Микробиологические исследования позволили сравнить размеры биопленок, полученных при традиционной технологии и с использованием высоковольтной обработки. Экспериментально установлено, что площадь поверхности биопленки, полученной при воздействии электрического разряда на субстрат в 2,5 раза больше площади биопленки, выращенной при традиционной технологии без его воздействия.

9. Использование разработанного оборудования и предлагаемого способа повышения выхода биогаза позволяет для птицефабрики снизить себестоимость 1 м3 биогаза на 46,7 %, повысить производительность биогазовой установки, что дает экономический эффект около 149 тыс руб./ год. (расчет произведен для птицефабрики, рассчитанной на содержание 30 ООО кур-несушек, 2005 год) Срок окупаемости капитальных вложений составляет 0,31 года

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Аблова О.В. Оборудование для переработки биоорганических отходов / Е.В.Спиридонова, Б.П. 11есноков, О.В. Аблова, А.И. Кирю-шатов II Вопросы совершенствования систем теплогазоснабжения и

вентиляции: Межвуз. научн. сб. СГТУ. - Саратов, 2002. - С.83-85 (0,125/0,088).

2. Наумова О. В. Применение электротехнологии при переработке биоорганики/ О.В.Наумова, Г.П.Ерошенко, Е.В. Спиридонова, Б.П.Чесноков II Проблемы электроэнергетики: Межвуз. науч. сб. СГТУ. - Саратов, 2004. - С. 270-273 (0,3/0,12).

3. Наумова О .В. Влияние электрического разряда на работу биогазовой установки / О В.Наумова, Е.В. Спиридонова, Б.П Чесноков II Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: Сб. научн. трудов СГТУ. - Саратов, 2004. - С.36-39 (0,2/0,128).

4. Наумова О.В. Электрический разряд в газах / О.В. Наумова, Б.П. Чесноков, Е.В.Спиридонова, Г.П. Ерошенко II Вавиловские чтения - 2004: Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 117-годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова. - Саратов, СГАУ, 2004. - С.87-89 (0,3/0,12).

5 Наумова О. В Очистка воды с помощью высоковольтного разряда / Б.П Чесноков, Г.П.Ерошенко, О.В. Наумова, Ю.А. Ажгалиев // Города России' проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии: Сб. материалов VI Международной научно-практической конференции. - Пенза, 2004. - С. 140-143 (0,2/0,128).

6. Чесноков Б.П., Спиридонова Е.В., Петросян В.И., Угаров Г.Г., Аблова О.В. Способ инициирования процесса анаэробного сбраживания. Пат. РФ №2207325, МКИ С 02 F 11/04,09/30, 2003.

7 Наумова О.В. Явление фазового перехода органических частиц в водном органическом субстрате / Б.П. Чесноков, Е.В. Спиридонова, О.В Наумова. // Доклады РАН Естественных наук №4. - Саратов, СГТУ, 2004. - С.94-96 (0,18/0,098).

8. Наумова О.В. Электротехнологическая интенсификация процессов в биогазовой установке / Г.П. Ерошенко, О.В. Наумова, В.А. Трушкин И Материалы III Всероссийской конференции «Информационные технологии в обучении и производстве», www. kti. ru (0,1/0,05).

9. Наумова O.B Математическая модель воздействия высоковольтной обработки на выход биогаза // Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии: Сб. материалов VII Международной научно-практической конференции. - Пенза. 2005. - С. 147-149 (0,17).

Примечание в работах 1 и 6 автором указана Аблова О В - девичья фамилия Наумовой О В

Подписано в печать 20 06 05 Формат 60*84 7,6 Бумага офсетная Гарнитура Times Печ л 1,0 Тираж 100 Заказ 575/523

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им Н И Вавилова» 410600, Саратов, Театральная пл, 1

■L fbr.

8s§

РНБ Русский фонд

2006-4 11904

РЕФЕРАТ

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Технологии и оборудование биогазовых установок.

1.2. Классификация биогазовых установок.

1.3. Роль микроорганизмов при решении топливно-энергетической задачи

1.4. Обзор существующих и перспективных импульсных электротехнологий

1.5. Постановка задач исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СПОСОБА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ВЫХОДА БИОГАЗА.

2.1. Основные положения

2.2. Анализ влияния различных факторов на объект исследования.

2.3. Теоретическое описание процесса анаэробного сбраживания с учетом электротехнологии

2.4. Обоснование параметров импульсного генератора.

2.4.1. Качественное описание процессов заряда и разряда конденсатора

2.4.2. Количественное описание процессов, происходящих при разряде

2.4.3 .Пример расчета и методика.

2.5. Закономерность фазового перехода.

2.6. Выводы.

3. МЕТОДИКА И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Методика определения оптимальных режимов обработки органического субстрата методом КВЧ/СВЧ - радиоспектроскопии.

3.2. Методика определения влияния высоковольтной обработки на рост микроорганизмов, ответственных за выход биогаза.

3.3. Методика определения влияния высоковольтной обработки на состав биогазовой смеси.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОО РАЗРЯДА.

4.1. Анализ результатов трансимссионно-резонансной КВЧ/СВЧ - радиоспектроскопии

4.2. Явление фазового перехода органических частиц в водном субстрате как следствие высоковольтной обработки

4.3. Анализ влияния высоковольтной обработки на рост микроорганизмов, ответственных за выход газа.

4.4 Разработка устройства для высоковольтной импульсной обработки.

4.4.1. Обоснование выбора разрядного устройства.

4.4.2. Разработка газового разрядника для обработки биогазовой смеси

4.6. Выводы.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА НА ПРОЦЕСС ВЫХОДА БИОГАЗА.

5.1. Оценка экономической эффективности биогазовой установки

5.2. Результаты производственных испытаний

5.3. Основные требования, предъявляемые к устройствам для высоковольтного импульсного разряда.

Основная задача агропромышленного комплекса — устойчивый рост сельскохозяйственного производства, полное удовлетворение потребностей страны в продуктах питания и сырье. Это возможно лишь благодаря ускорению научно-технического прогресса, переходу на интенсивные нетрадиционные технологии.

Развитие животноводства и птицеводства создали глобальную проблему утилизации большого объема органических отходов, основными источниками которых являются крупные животноводческие и птицеводческие комплексы. Становясь источником загрязнения окружающей среды, сельское хозяйство требует особого внимания для решения данной проблемы. В этой связи утилизация органических отходов, за счет анаэробного сбраживания с применением электротехнологии, приобретает решающее значение для агропромышленного производства.

Анализ работ [1-6], [77-92] показывает, что рациональное использование топливно-энергетических ресурсов невозможно без совершенствования существующих и создания новых энергосберегающих процессов, к которым в полной мере можно отнести микробиологическое сбраживание органических отходов на основе электротехнологии. Совершенствование данного процесса позволит успешно бороться с высокой загрязненностью почвы и водных слоев отходами агропромышленного производства, а также решить вопросы по обеззараживанию и более глубокой переработке отходов растениеводства, животноводства и птицеводства с одновременным получением товарного биогаза и высококачественных удобрений.

Утилизация биоорганических отходов приводит к значительной экономии ценного энергетического сырья, так как продукты, получаемые в результате этого процесса, биогаз и полужидкая масса, представляют собой большую ценность как газообразное топливо и органическое удобрение. А если учесть, что из сельскохозяйственных отходов и мусора ежедневнр можно получать более 100 млн. тонн биомассы, то за счет ее использования, возможно покрывать десятую часть потребности нефти всей страны [74-76].

Наиболее перспективным и экономически целесообразным решением для аг-робиоэнергетической промышленности, наряду с использованием энергии ветра, солнца, геотермальных источников и т.д. является процесс переработки побочных продуктов и отходов растениеводства, животноводства и пищевого производства на основе анаэробного сбраживания органических отходов.

Известные способы переработки отходов органического происхождения в биогазовой установке и получения биогаза малоэффективны [2], [7-9]. Для увеличения выхода биогаза в установках по переработке биомассы используют различные способы. Хорошие результаты получают за счет дискретно-импульсного ввода энергии с помощью роторно-импульсного аппарата, который обычно выполняют в виде дисков или коаксиальных цилиндров с перфорированными поверхностями [1,104]. При вращении одной из поверхностей происходят интенсивные пульсации скорости и давления биомассы, что увеличивает диффузию и выход биогаза. Однако такие установки имеют большую материалоемкость и сложность в эксплуатации.

Поэтому возрастает интерес к получению биогаза на основе новых технологий [10].

Одно из направлений активации процесса переработки биоорганических отходов - использование высоковольтного электрического разряда, с помощью которого ускоряется процесс разложения исходного субстрата. Степень химической активности биомассы и отношение ее элементов друг к другу и другим реагентам, а также физические и химические свойства целиком определяются его «избыточным зарядом». Вследствие электростатического взаимодействия у нескомпенси-рованных зарядов структурных элементов вещества на макроскопических расстояниях наблюдается окисление органических соединений и избирательное инициирование многоцентровых цепных химических реакций [11].

Актуальность диссертационной работы вызвана необходимостью более полной утилизации отходов органического происхождения в сельскохозяйственном производстве за короткий срок, и повышения выхода биогаза при анаэробном сбраживании.

Целью работы является повышение выхода биогаза при анаэробном сбраживании куриного помета, за счет использования импульсной электротехнологии, в процессе подготовки органического субстрата к сбраживанию.

Под субстратом понимается смесь куриного помета и воды в соотношении

1:2, соответственно.

Научную новизну имеют:

- способ анаэробной переработки органических веществ водного субстрата куриного помета под воздействием электрических разрядов, техническое решение которого защищено патентом;

- аналитическое описание процессов выхода биогаза, позволяющее оценить влияние высоковольтного разряда на интенсивность процесса;

- экспериментальный метод установления оптимального режима высоковольтной обработки водного" органического субстрата за счет трансмиссонно-резонансной КВЧ/СВЧ - радиоспектроскопии высокого разрешения, позволяющей оценить активность микроорганизмов;

- дополнительный газовый разрядник для высоковольтной обработки биогаза, обеспечивающей расщепление его на отдельные газовые составляющие, в процессе анаэробного сбраживания, для частичной очистки и повышения процентного содержания метана.

Практическая ценность работы

Разработаны новая технология, оборудование и комплекс устройств, обеспечивающих повышение выхода биогаза из водного органического субстрата и эффективную переработку органических отходов сельскохозяйственного производства. Электротехнологический процесс способствует повышению выхода биогаза в 2-5 раз с единицы поверхности сбраживаемого вещества при одновременном получении экологически чистых органических удобрений с улучшенными агрохимическими свойствами.

Основные положения выносимые на защиту:

- новое конструкторско-технологическое решение по проектированию биогазовой установки на основе электротехнологии;

- теоретическо-экспериментальные данные по влиянию высоковольтной обработки на выход биогаза;

- способ и методика исследования процесса переработки отходов в виде органического субстрата куриного помета при анаэробном сбраживании, благодаря воздействию импульсного электрического разряда на жидкую составляющую или ее смеси с органическими твердыми веществами;

- закономерность повышения эффективности высоковольтной обработки, проявляющаяся в создании электрических полей вследствие электролитической диссоциации, ведущей к изменению свойств и активности водного субстрата куриного помета за счет ионного обмена заряженных частиц.

Апробация работы

Основные положения диссертации и ее результаты доложены и получили одобрение на следующих конференциях:

- научно-технических конференциях Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова (Саратов, СГАУ, 2004-2005);

- научно-практической конференции Саратовского государственного технического университета (Саратов, СГТУ, 2004);

- международной научно-практической конференции в Пензе (Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии. Сб. материалов 6-ой Международной научно-практической конференции. Пенза: РИО ПГСХ. 2004);

- Вавиловских чтениях 2004. Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 117 годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова. Секция ИМЭСХ, Саратов: Сар. гос. агр. университет;

- III Всероссийской конференции в Камышине. (Инновационные технологии в обучении и производстве. 2005).

Публикации

Основные результаты работы изложены в 9-ти печатных работах, среди которых один патент на изобретение.

ОБШИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных источников свидетельствует о возрастании интереса к способам переработки органических отходов с целью получения биогаза и удобрений. Существующие технологические процессы получения биогаза не исчерпывают потенциальные возможности биомассы; выход биогаза при существующем технологическом процессе не превышает 3 м3 с 1 м3 метантенка. Поэтому научный интерес представляет разработка новой технологии переработки органических отходов, основанная на использовании электрических разрядов в процессе подготовки субстрата к сбраживанию, позволяющая увеличить выход биогаза.

2. Проведенные теоретические исследования позволили доказать, что главным фактором, определяющим скорость выхода биогаза, является вторая производная изменения концентрации по высоте метантенка. Установлено, что динамика концентрации изменяется в степенной зависимости от количества подведенной в биомассу энергии (выражения 2.19, 2.20). Определено максимально допустимое значение импульсной энергии исходя из условия сохранения биологической активности метанообразующих бактерий (выражение 2.26). Превышение отмеченного предела угнетает процесс выхода биогаза.

3. Для реализации теоретических положений интенсификации выхода биогаза предложена новая система основных электродов, состоящая из 3х пар электродов (взамен 1 паре) с изменяющимися по высоте метантенка зазорами, обеспечивающая чередование разрядов в объеме метантенка и создание бегущей волны, что увеличивает изменение концентрации биомассы по высоте и выход биогаза.

4. Разработана методика расчета электрических параметров электроимпульсной установки в зависимости от заданной энергии W и продолжительности импульса /н. При этом определено: сопротивление зарядного резистора Rj = 30 кОм, емкости конденсатора С= 1 мкФ, параметры разрядника (зазор Д = 1,8- 2,0 мм), скважность импульсов q=5, период импульсов Ти= 0,03 с.

5. Разработана и изготовлена экспериментальная биогазовая установка с основной и дополнительной разрядными камерами. Эксперименты подтвердили теоретические положения об увеличении выхода биогаза в 2-5 раз на единицу объема метантенка. При обработке биогаза в дополнительном газовом разряднике, процентное содержание метана увеличивается на 10% за счет перераспределения газовых ингредиентов и частичной очистки биогазовой смеси.

6. Экспериментальным путем установлено явление фазового перехода в водном субстрате куриного помета, подтверждающее возникновение электрического тока в субстрате, подвергнутом обработке электрическим разрядом. Установленное явление доказывает ускорение электронного обмена между частицами и объясняет появление активных частиц в субстрате.

7. Методом КВЧ/СВЧ подтверждено увеличение активности микроорганизмов в водном органическом субстрате при воздействии высоковольтной обработки. Данный метод позволил определить оптимальные режимы обработки: начальное напряжение U0= 7 кВ, количество импульсов 5.

8. Микробиологические исследования позволили сравнить размеры биопленок, полученных при традиционной технологии и с использованием высоковольтной обработки. Экспериментально установлено, что площадь поверхности биопленки, полученной при воздействии электрического разряда на субстрат в 2,5 раза больше площади биопленки, выращенной при традиционной технологии без его воздействия. .

9. Использование разработанного оборудования и предлагаемого способа повышения выхода биогаза позволяет для птицефабрики снизить себестоимость 1 м3 биогаза на 46,7%, повысить производительность биогазовой установки, что дает экономический эффект около'149 тыс. руб./год. (для птицефабрики с поголовьем 30 ООО кур-несушек). Срок окупаемости капитальных вложений составляет 0,3 года.

1. Амерханов Р. А. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии. М.: Колос. 2000. С. 159-238.

2. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз теория и практика / Пер. с нем. и предисловие М.И. Серебряного. М.: Колос, 1982. 148 с.

3. Кирюшатов А.И. Использование нетрадиционных возобновляющихся источников энергии в сельскохозяйственном производстве. М.: Агропромиздат, 1991.96 с.

4. Бакулов И.А., Кокурын В.А., Котлеров В.Ы. Обеззараживание навозных стоков в условиях промышленного животноводства. М.: Росагропроиздат. 1988. С.125.

5. Панцхава Е.С. Техническая биоэнергетика. // Новое в жизни, науке, технике. Сер. Техника. М.: Знание. 1990. №12. 64с.

6. ПанцхаваЕ.С., Пожарное В.А. и др. Биогазовые технологии и решение проблем биомассы и «парникового эффекта» в России // Теплоэнергетика. 1999. №2. С. 30-39.

7. Экологическая биотехнология / под ред. К.Ф. Форстера и Д.А. Дж. Вейза Д.: Химия. 1990.

8. А.с. 275028 СССР МКИ C12N 1/00.

9. Пат. 1838415 РФ МКИ С12Р 5/02, C02F 11/04.

10. Чесноков Б.П., Баранова Е.А. и др. Новое направление в переработке биоорганических отходов. // Повышение эффективности использования и ресурса сельскохозяйственной техники. Саратов. СГТУ. 1998. С. 185-187.

11. Пат. 2207325 РФ МКИ С12Р 5/2, C12N 1/16, C02F 11/04.

12. ЮткинЛ.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, 1986.

13. Покровский Г.И., Ямполъский В.А. Электрогидродинамическая аналогия ку-муляций / Журнал технической физики. 1946. Вып.З.

14. Покровский Г. И., Муралеви Ю.А. На передний край смелой мечты. М.: Молодая гвардия, 1962.

15. Чербаев Д.М. Биогазовые технологии / Агроновости // http://www.belark.ru.

16. Биоэнергетическое оборудование ВИЭСХ. / www.mpe.gov.ru.17. www.vinnitsa.com/miroslav.18. Заявка 97102681.

17. Совсем коротко// Техника молодежи, 1968, №3, С. 13.

18. Chemical & Engineering News, 1999, №5, р28.

19. Кобелев А.В. Повышение эффективности систем электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии. / Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. г. Липецк. 2004.22. А.с. 37277 СССР, МКИ

20. FrungelF. Zum mechanishen Wirkungsgrad von Fliissigkeitsfunken, Optic, Hamburg, Band 3, 1948, №1/2.

21. A.c. 459920 СССР. МКИ В 21 D 26/08.

22. A.c. 114172 СССР. МКИ В 48 D 25/00.26. А.с.147162 СССР. МКИ

23. А.с. 123500 СССР. МКИ С 7 С 15/00.

24. А.с. 1735245 РФ, МКИ С 04 В 40/02.

25. Чесноков Б.П. Высокие технологии электровакуумного производства. Саратов: СГУ, 2000.

26. Клименко В.М. Применение электрофизического способа активации бетонных смесей при введении в них химической добавки на заводах ЖБИ и в полевых условиях. М.: Сб. трудов ПТИС. 2001. Вып. 10.

27. Пат.2162026 РФ, МКИ В 22 D 27/08.

28. Пат.2162488 РФ, МКИ С 23 С 26/00, С 22 С 38/44.

29. А.с. 1556847 СССР, МКИ В 23 К 20/14.

30. Егоров А.В., Летягин В.А. Нанесение пленок методом электрического взрыва материала. // Обзор по электронной технике. Сер.7. Технология, организация производства и оборудование. 1976. Вып.12. С.12.

31. А.с. 1590241 СССР, МКИ В 23 К 1/20.

32. Чесноков Б.П., Коблов А.И. Напыление в вакууме аморфных материалов электрическим взрывом. // Функциональное покрытие на стеклах Сб. докладов межд. науч. практ. симп. Харьковской науч. ассамблеи. Харьков: «Вокруг света», 2003. С. 138-142.

33. Чесноков Б.П., Коблов А.И., Наумова О.В. и др. Новое направление в технологии получения световодов. //38. «Живая и мертвая» вода. / Изобретатель и рационализатор. 1999. №12. С 2021.

34. Чесноков Б.П., Аблова О.В. Явление локализации электронов проводимости в металлах и их сплавах при радиационном облучении. Доклады РАН Естественных наук №2, Саратов: «Надежда», 2000. С. 118-121.

35. Пат. 2146196 РФ, МКИ В 29 В 17/00.

36. Chemistry& Industry. 1999. №15. Р598.42. А.с. 1048245 РФ, МКИ

37. Пат.2094106 РФ, МКИ В 01 F 3/08.

38. Пат.2099575 РФ, МКИ F 02 М 25/025,.27/04, 43/00.

39. Шарин Ю.Е., Короткое В.А., Панфилова Н.Е. Исследование процесса пастеризации молока импульсным разрядом // Новые физические методы обработки пищевых продуктов. Межвуз. сб. / Ин-т тепло- и массообмена АН БССР. М. 1967.

40. Schoenbach К.Н., Peterkin F.E., Alden.R. W. and Beeke «The Effect of Pulsed Electric Fields on Biological Cells: Experiments and Applications», IEEE Transactions on Plazma Science, vol.25, № 2, pp.284-292,1997.

41. Knorr D. and Angresbach A. «Impact of high-intensity electric field pulses on plant membrane permeabilization». Trends in Food Science Technology, vol.9, pp.l-7,1998.

42. Jeyamkondan S., Jayas S. and Holley R.A. «Pulsed Electric Field Prossing of Foods; A Review». Journal of Food Protection, vol.62, № 9, pp. 10088-1096, 1999.

43. Бойко Н.И «Высоковольтные аппараты и технологии на основе комплекса высоковольтных импульсных воздействий», BicHHK НТУ «ХП1», №16, С. 1116,2001.

44. Пат. 2193856 РФ, МКИ A 23/L 3/32, С 02 F 1/48.

45. Пат. 19400 Украина, МКВ В 01 I 19/00.

46. Пат. 2085508 РФ, МКИ С 02 F 1/48.

47. Бойко Н.И. Технологии, основанные на воздействии сильных импульсных электрических полей // Техшчна електродинамша. Тематичний випуск «Про-блеми сучасно1 електрошки». 2002, Частина 6. С.94-99.

48. Бойко Н.И, Бондина Н.Н. и др. Переходные процессы и моделирование проникновения импульсного электрического поля в биологическую клетку. // Техшчна електродинамша. Тематичний випуск «Проблеми cynacHoi електрошки». 2004, Частина 2. С. 119-125.

49. Кулъский JI.A. Обезжиривание и очистка хлором. M.-JI.: Министерство коммунального хозяйства РСФСР. 1947.

50. Яворовский Н.А., Соколов В.Д. и др. Очистка воды с применением электроразрядной обработки. // Водоснабжение и санитарная техника, 2000. №1.

51. Пат. 2136600 РФ, МКИ С 02 F 1/46,7/00.

52. Нагель Ю.А., Зарков О.А. и др. Электроимпульсное обеззараживание сточных вод. // Водоснабжение и санитарная техника, 1997. №6.

53. А.с. 1596752 СССР, МКИ С 12 N 1/16.

54. Спиридонова Е. В. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата наук Разработка технологии и оборудования для переработки биоорганических отходов на основе электрического разряда. Саратов. 2003.

55. Лившиц A JI., Рогачев И.С. Генераторы периодических импульсов сильного тока. М.: Госэнергоиздат. 1959.

56. Петросян В.И., ЖитневаЭ.А. и др. Физика взаимодействия миллиметровых волн с объектами различной природы // Биомедицинская радиоэлектроника, 1996. №3 в ж. Радиотехника №9.

57. Шуб Г.М., Петросян В.И. и др. Собственные электромагнитные излучения микроорганизмов // Биомедицинская радиоэлектроника, 2000. № 2. С. 58-60.

58. Чесноков Б.П., Спиридонова Е.В., Наумова О.В Явление фазового перехода органических частиц в водном органическом субстрате. Доклады РАН Естественных наук №4. Саратов. СГТУ. 2004. С.94-96.

59. Чесноков Б.П., Ерошенко Г.П., Наумова О.В. Очистка воды с помощью высоковольтного разряда. // Сб. материалов VI Международной научн.-практ. конференции. Пенза. 2004. С. 140-141.

60. Сливков И.Н., Михайлов В.И, Сидоров НИ. Электрический пробой и разряд в вакууме. М.: Атомиздат. 1966. 288с. •

61. Баутин В.М., Лазовский В В. Энергетика для села. М.: ФГНУ. Росинформаг-ротех. 2002. 183с.

62. Методика определения экономической эффективности использования в сельском хозяйстве результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. Киев: Урожай. 1986. 255с.

63. Васильев В.А., Филиппова Н.В. Справочник по органическим удобрениям. М.: Росагропромиздат. 1988. 255с.

64. Хорольский В.Я., Таранов М.А., Петров Д.В. Технико-экономическое обоснование дипломных проектов. Ростов-на-Дону «Терра». 2004. 163с.

65. Михайлова В.В. Методические указания по выполнению практических работ по дисциплине «Организация и планирование производства в сельскохозяйственных предприятиях». Саратов. 1997. 34с.

66. Каганов И.Л. Курсовое и дипломное проектирование. М.: Колос. 1980. С. 316-342.

67. Смирнов О.П., Бакстов И.Г., Циганков С.П. Исследование процесса метанового сбраживания // Исследование, проектирование и строительство систем сооружений метанового сбраживания навоза. М. 1982. С.41-44.

68. Миллер В.В., ПодпоринА.В. Анализ схем метанового сбраживания куриного помета. // Интенсификация механизированных работ в кормопроизводстве и животноводстве нечерноземной зоны РСФСР. Сб. научн. трудов. Ленинград. 1988. С. 36-39.

69. Копия отчета о НИР Теоретическое исследование эффективности работы биогазовых установок, биологической теплоты в теплицах, эффективности пассивных гелиосистем жилых зданий, воздухораспределения в камерах сушки, г. Курск. 1986.

70. Форстер К. Ф., ВейзДж.ДА. Экологическая биотехнология / Пер. с англ. Д.А. Дымшица. Л.: Химия, 1990. 375с.

71. Промышленная микробиология / Под общей ред. Н.С.Егорова. М.: Высшая школа, 1989. 686с.

72. Шифрин С.М., Иванов Г.В., Мишуков Б.Г., Феофанов Ю.А. Очистка сточных вод предприятий мясной и молочной промышленности. М.: Легкая и пищевая промышленность. 1981, 272 с.

73. Долгов B.C. Гигиена уборки и утилизации навоза. М.: Россельхозиздат. 1984, 173с.

74. Панцхава Е.С., Кошкин Н.Л., Пожарное В.А. Биомасса — реальный источник коммерческих топлив и энергии. 4.1. Мировой опыт // Теплоэнергетика. 2001, №2. С. 21-25.

75. Дубровский B.C., ВиестурУ.Э. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов. Рига: Зинатие. 1988. 203с.

76. Пат. 2085519 РФ, МКИ С 02 F 11/00.

77. А.с. 1699961 СССР, МКИ С 02 F 3/28,. 11/04.

78. А.с. 1699962 СССР, МКИ С 02 F 3/28, 11/04.

79. А.с. 1673539 СССР, МКИ С 02 F 11/04.

80. Некрасов В.Г. Технико-экономические показатели модульной биогазовой установки «Кобос» // Техника в сельском хозяйстве. 1990. №2. С. 58-59.

81. Яснецкий В.А., Таргоня B.C. Оборудование для получениея биогаза их навоза // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1990. №4. С. 23-25.

82. Семененко И.В., ДзюбаВ.И. Защита биогазовых установок от коррозии. // ■Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1990. №1. С. 38-39.

83. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа. 1983. 408с.

84. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука. 1985. 576с.

85. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука. 1976. 616с.9Ъ.Наумова О.В. Применение электротехнологии при переработке биоорганики. /

86. Наумова О.В., Ерошенко Г.П., Спиридонова Е. В., Чесноков Б.П. //Проблемы электроэнергетики, Межвуз. науч. сб.: Саратов, СГТУ, 2004г. 270-273с.

87. Аблова О.В. Оборудование для переработки биоорганических отходов. I Спиридонова Е.В., Чесноков Б.П., Аблова О.В., Кирюшатов А.И. II Вопросы совершенствования систем теплогазоснабжения и вентиляции, Межвуз. научн. сб.: Саратов, СГТУ, 2002г. 83-85с.

88. Логинова Л.Г. Анаэробные термофильные бактерии. М.: «Наука». 1982. 100с.

89. Логинова Л.Г., Головачёва Р. С, Егорова Л.А. Жизнь микроорганизмов при высоких температурах. М.: «Наука». 1966. 295с.

90. Меерович Л.А.у Зеличенко Л.Г. Импульсная техника. Изд.-во «Советское радио». 1956.

91. Крылов Н.Н. Импульсная техника. Связьиздат. 1950.

92. Шумихин ЮА. Введение в импульсную технику. Госэнергоиздат. 1952.

93. Петрович Н.Т., Козырев А.В. Генерирование и преобразование электрических импульсов. Изд.-во «Советское радио». 1954.

94. Бабочов М.А. и др. Техника высших напряжений. M.-JL, ГЭИ, 1955.

95. Маринин БД., Пацкалев А.Ф. Современные принципы утилизации навоза // Механизация и электрификация. 1990. №4. С. 22-23.

96. Наумова О.В. Электротехнологическая интенсификация процессов в биогазовой установке. / Ерошенко Г.П., Наумова О.В., Трушкин В.А. II Материалы III Всероссийской конференции «Информационные технологии в обучении и производстве», www.kti.ru.

97. Лившиц А.Л., М.Ш. Ommo Импульсная электротехника. М.: Энергоатомиз-дат. 1983. 343с.

98. А.Е. Каплянский, А.П. Лысенко, Л.С. Полотовский теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа. 1972. 445с.

99. И.П. Шелестов Радиолюбителям полезные схемы. М.: COJIOH-Пресс. 2003. 340с.