автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Получение биогаза в биореакторе с барботажным перемешиванием

На правах рукописи

Суслов Денис Юрьевич

ПОЛУЧЕНИЕ БИОГАЗА В БИОРЕАКТОРЕ С БАРБОТАЖНЫМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

Иваново 2013 005537304

005537304

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

- доктор технических наук, профессор Кущев Леонид Анатольевич

- Терпугов Григорий Валентинович

доктор технических наук, профессор, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, профессор кафедры процессов и аппаратов химической технологии

- Вязьмии Андрей Валентинович

кандидат физико-математических наук, доцент, Московский государственный машиностроительный университет, заведующий кафедрой физической химии

Ведущая организация: - Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий», г. Воронеж

Защита состоится «25» ноября 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000 г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, 7, ауд. Г-205.

Тел. (4932) 32-54-33. Факс: (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан «ЯЧ » октября 2013 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.063.05

Зуева Галина Альбертовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие народного хозяйства Российской Федерации в условиях рыночной экономики определяет необходимость дальнейшего совершенствования процессов и аппаратов химических технологий различных производств. В отечественной и зарубежной практике все большее применение находят системы энергоснабжения сельскохозяйственных предприятий с использованием альтернативного источника энергии - биогаза. Биогаз образуется в результате анаэробной ферментации органических веществ, при этом происходит переработка отходов и получение высокоэффективных биоудобрений, что также решает экологичесие и агробиологические проблемы сельскохозяйственных предприятий.

Для производства биогаза широкое применение получили биореакторы с механическими системами перемешивания. Основным недостатком данных биореакторов является ограниченная зона перемешивания, вследствие чего возникают застойные зоны, в которых скапливается осадок, а также наблюдается образование на поверхности биомассы корки, препятствующей выходу биогаза.

Решение этих проблем возможно при применении биореакторов с системой перемешивания барботажного типа, однако в настоящее время процесс получения биогаза в биореакторах с барботажным перемешиванием является недостаточно изученным.

Поэтому актуальной задачей является исследование процесса получения биогаза при барботажном перемешивании биомассы и разработка конструкции биореактора.

Работа выполнена в соответствии с ГК № 17/14227 от 31.08.2011 года по программе "У.М.Н.И.К." и «Концепцией развития биоэнергетики и биотехнологий в Белгородской области на 2009-2012годы». (Постановление Правительства Белгородской области от 08.06.2009г. №183-пп).

Цель работы. Интенсификация процесса получения биогаза барботажным перемешиванием биомассы и разработка оригинальной конструкции биореактора.

Достижение этой цели осуществляется путем решения комплекса задач:

- изучение физико-химических основ процесса получения биогаза при анаэробной ферментации органических отходов;

- разработка математической модели процесса получения биогаза в биореакторе с барботажным перемешиванием биомассы;

- разработка патентно-защищенной конструкции биореактора, оснащенного системой перемешивания барботажного типа;

- выполнение натурных экспериментальных исследований процесса получения биогаза на экспериментальной и промышленной установках;

- разработка инженерной методики расчета биореактора получения биогаза

с системой барботажного перемешивания, реализованной в виде пакета программных комплексов;

- расчет экономической эффективности применения биогазовой установки для переработки органических отходов в биореакторе с барботажным перемешиванием.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель процесса барботажного перемешивания биомассы, основанная на рассмотрении циркуляции двухфазного газожидкостного потока в турбулентном режиме.

2. В результате численного решения уравнений Навье-Стокса для двухфазной газожидкостного потока найдены осредненная осевая скорость и/и,к и расход биомассы <2ц, а также время цикла барботажного перемешивания

¿"ой-

3. Предложена зависимость для расчета коэффициента местных сопротивлений С-,т устройства барботажного перемешивания оригинальной конструкции.

4. Получена эмпирическая зависимость для определения максимальной удельной скорости роста микроорганизмов при анаэробной ферментации субстрата в мезофильном температурном режиме.

5. Найдена эмпирическая зависимость удельного выхода биогаза £)уЛ от частоты перемешивания, продолжительности процесса, влажности и температуры биомассы.

Методы исследований. Основные теоретические и экспериментальные разработки, представленные в диссертации, базируются на применении методов классической гидро- и газодинамики, теории математического моделирования, планирования экспериментов и статистической обработки результатов.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается: адекватностью математической модели процесса получения биогаза результатам экспериментальных данных с применением матричного планирования; удовлетворительной сходимостью результатов расчетных и экспериментальных данных по удельному выходу биогаза. Практическая ценность

Разработана конструкция биореактора, оснащенного барботажной системой перемешивания, позволяющего повысить эффективность процесса получения биогаза при переработке органических отходов. Новизна конструктивного решения защищена патентом РФ на изобретение №2430153 опубл. 27.09.2011.

Разработана инженерная методика расчета биореакторов, оснащенных системой перемешивания барботажного типа, позволяющая определить рациональные конструктивно-технологические параметры аппарата.

Разработан пакет программных комплексов расчета биореакторов с удобным пользовательским интерфейсом, приемлемым временем расчета и

визуальным представлением результатов моделирования.

Результаты исследований и экспериментальная установка используются в учебном процессе БГТУ им. В.Г. Шухова при изучении дисциплин «Системы промышленного газоснабжения», «Газоснабжение», «Основы научных исследований». Автор защищает:

- математическую модель барботажного перемешивания биомассы в виде двухфазного газожидкостного потока в турбулентном режиме движения;

- аналитические зависимости, определяющие максимальную удельную скорость роста микроорганизмов и коэффициент местных сопротивлений системы барботажного перемешивания;

- результаты вычислительного эксперимента, позволившего определить основные параметры процесса перемешивания и получить визуальную картину потоков биомассы в биореакторе;

- результаты экспериментальных исследований в виде уравнения регрессии по определению удельного выхода биогаза в биореакторе с системой барботажного перемешивания;

- инженерную методику расчета основных конструктивно-технологических параметров биореактора, реализованную в виде пакета программных комплексов с использованием численных методов решения уравнений;

- разработанную патентно-защищенную конструкцию биореактора, оснащенного системой перемешивания барботажного типа, позволяющего повысить эффективность процесса получения биогаза.

Реализация работы

Теоретические положения и практические результаты научной работы внедрены на ЗАО «Корочанский плодопитомник» в г. Короча Белгородской области.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: Международных научно-практических конференциях Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (2009-2012); Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2008); Международной научно-практической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2008); Международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение» (Ростов, 2012); 1st International Scientific Conference «Applied Sciences in Europe: tendencies of contemporary development» (Stuttgart, Germany, 2013).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 2 патента РФ на изобретение и на полезную модель.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложений. Материал изложен на 163 страницах машинописного текста, в том числе 13 таблиц и 46 рисунков, список использованной литературы состоит из 167 наименований, из них 48 на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ систем и оборудования для получения биогаза, изложены основные физико-химические характеристики процесса анаэробной ферментации органических отходов. Проанализированы основные подходы к математическому моделирования процесса получения биогаза.

Значительный вклад в развитие теории моделирования процессов химической технологии внесли: Кафаров В. В., Дорохов И.Н., Винаров А. Ю., Гордеев Л.С., Лабутин А.Н. Теоретическим основам процесса получения биогаза посвящены работы отечественных ученых: Андрюхина Т.Я., Вави-лина В.А., Гюнтер Л.И., Заварзина Г.А., Калюжного C.B., Ковалева A.A. и др., а также зарубежных ученых: Баадера В., Батштэина Д.Ж., Виестур У.Э., Дубровскиса B.C., Конто Д.Е., Моно Ж, Хашимото А.Г., Чена Ю.Р.

Основным параметром, определяющим эффективность процесса получения биогаза, является удельный выход биогаза. Установлены основные факторы, оказывающие влияние на процесс получения биогаза: температура и влажность биомассы, метод и частота перемешивания, а также продолжительность процесса брожения.

В выводах к первой главе сформулированы основные задачи теоре-тичеких и экспериментальный исследований.

Вторая глава посвящена теоретическому описанию процесса получения биогаза при анаэробной ферментации органических отходов в биореакторе с барботажным перемешиванием.

Для определения суточного выхода биогаза К(м7сут м ) принята модель Чена и Хашимото, которая наиболее полно описывает процесс получения биогаза в зависимости от основных параметров процесса:

--к^у а)

г цт-г -1 +К

Нами уточнено выражение для определения максимальной удельной скорости роста микроорганизмов (рт), которое характеризует влияние температуры на эффективность процесса получения биогаза для мезофильного температурного режима:

Значения коэффициентов р0=-б, 29658; ц,=0,3816\ ц2= -0,0055 определены в результате обработки экспериментальных данных при исследовании процесса получения биогаза в диапазоне температур Т=30-40°С.

Разработана математическая модель процесса барботажного перемешивания биомассы, включающая уравнения движения биомассы и пузырей биогаза.

Приняты следующие допущения: биомасса и пузыри барботирую-щего биогаза образуют сплошные взаимопроникающие и взаимодействующие среды; пузырьковая фаза состоит из пузырей одинакового размера; процесс взаимодействия жидкой и пузырьковой фаз изотермический; явления дробления и коалисценции пузырей не учитываются.

Учитывая высокий расход барботируемого газа, для описания движения биомассы приняты уравнения для осредненного турбулентного движения-уравнения Рейнольдса.

ои) дх,

= 0,

(3)

д и, Р-^г + Р1^

о1

ди,

д2и,

дР

=--+ цдх, дх: дх,дх]

-Щ + Рг

Для замыкания системы уравнений (3) тензор турбулентных напряжений определен в рамках «к-е» модели турбулентности:

щ=-р

г

ди1

дх.

Эм/

//

(4)

Для описания движения пузырей биогаза приняты уравнения переноса импульса пузырьковой квазисплошной среды:

?1+дШ = о,

81 дх,

(5)

Ре

81

РР) Г = "Р,А/л 04)—

ах,

дх,

На основе разработанной модели проведен вычислительный эксперимент с помощью открытого пакета программ вычислительной аэро- гидродинамики ОрепРУМ. Исходными данными для проведения вычислительного эксперимента были приняты конструктивно-режимные параметры биореактора с объемом биомассы Кй„=0,137 м1.

Получены визуальная картина линий тока и профиль осредненной осевой скорости биомассы и/и,к=/(х) (рис.1).

а)

б)

0,3 7Г

Рис Л. Результаты численного эксперимента: а) Пространственная визуализация линий тока биомассы; б) Профиль осредненной осевой скорости движения биомассы. По полученному профилю осевой составляющей скорости биомассы определена производительность перемешивания, равная объёмному расходу восходящего (нисходящего) циркуляционного потока:

"О

(6)

= 2/г ■ Я] ■ иж -1(5, бЗх4 - 4,39х3 - 2,24х2 +1) х (Ь

о

При хп=0,59 скорость и расход циркуляции биомассы составили и,к.=0,029 м/с; 0/(=О,00087 м3/с.

Также предложен коэффициент перемешивания К,„ который характеризует интенсивность процесса барботажного перемешивания биомассы и позволяет определить продолжительность одного цикла барботажного перемешивания А1д„.

Ян. (7)

К,. =:

V,

м,„ = -

к„

(8)

Для расчета конструктивных параметров системы барботажного перемешивания (диаметр с{0„, и длина 1б„, барботажного трубопровода, количество п0 и диаметр с1„ отверстий для выхода газа) нами использованы классические уравнения гидродинамики.

Одним из основных технологических параметров является давление газа, подаваемое в систему перемешивания, которое зависит от потерь давления. Потери давления, возникающие в барботажном трубопроводе, выполненном в виде спирали, определяются через коэффициент местных со-

противлении (;„,„, включающий следующие потери: в потоке газа при наличии боковых отверстий; на выходе из отверстий при наличии проходящего потока; потери при поворотах потока газа в витках спирали.

и,.

'"Эб/н —

и

(

ґ \ 2 \

О,, иЛ.

— +

о

II V " / У

^От $61

+ 4-

/(—) + 0,0175 -6„„

2 • л?

'V

и„

(9)

Полученное уравнение (9) позволяет определить общие потери давления в системе перемешивания барботажного типа.

Третья глава посвящена описанию экспериментальных исследований процесса получения биогаза в биореакторе с барботажным перемешиванием. Приведены программа и методика экспериментальных исследований. Исследования проводились в два этапа.

Целью первого этапа экспериментальных исследований явилось определение влияния конструктивных и технологических факторов на эффективность работы биогазовой установки и подтверждение результатов теоретических исследований процесса получения биогаза.

Экспериментальные исследования проводились на разработанной и смонтированной экспериментальной установке, изображенной на рис.2.

Ц 12

\ \

Жг1

Л \

с-ХЧ

; %

/ /

» 15

Рис. 2. Схема установки; 1 - патрубок загрузки исходного субстрата; 2 - патрубок слива биомассы; 3 - биореактор с барботажным перемешиванием; 4 - барботажный трубопровод; 5 - регулятор температуры; 6 - термометр; 7 - патрубок выхода биогаза; 8 - манометр; 9 - кран шаровый; 10 - баллон газовый; 11 - вентиль, 12- редуктор давления; 13 - трубопровод подвода газа на перемешивание; 14-фильтр; 15 - счетчик газовый; 16- газгольдер.

Основным элементом установки является биореактор с системой перемешивания барботажного типа (рис.3), в котором непосредственно осуществлялся процесс анаэробной ферментации с выделением биогаза. Биореактор представляет собой колонный аппарат высотой 1000 мм и диаметром 530 мм. В нижней части биореактора расположена система перемешивания барботажного типа, которая представляет собой равномерно перфорированную трубу, выполненную в виде вертикальной спирали, витки которой образуют конус, обращенный основанием вниз. Эти технические решения позволяют равномерно распределять струи и пузыри газа, что обеспечивает равномерное перемешивание биомассы по всему объему биореактора и предотвращает образование на поверхности, плавающей корки.

Принцип работы экспериментальной установки следующий. В биореактор через входной патрубок подается исходный субстрат, после заполнения биореактор герметично закрывается. С помощью системы подогрева биомасса нагревается до требуемой температуры, которая поддерживается на заданном уровне. В результате анаэробной ферментации выделяется био-газ, который собирается в верхней части биореактора и по соединительным трубопроводам поступает через фильтр и счетчик в газгольдер для хранения и дальнейшего потребления. Для барботажа биомассы используется сжиженный газ пропан из баллона емкостью 50 л.

В качестве основного плана эксперимента выбран центральный композиционный ортогональный план (ЦКОП Т1) дробного факторного эксперимента (ДФЭ). За параметр оптимизации принят удельный выход биогаза Qyr) (м3/кг). В качестве варьируемых факторов выбраны: W (Х^ - влажность биомассы в биореакторе, %; г/ (Х2) - частота перемешивания, сут" ; 7"(Х3)-температура биомассы в биореакторе, °С; т (Х4) - продолжительность брожения, сут.

Целью второго этапа экспериментальных исследований явилось определение гидродинамических параметров системы барботажного перемешивания. Исследования проводились на экспериментальной установке, включающей биореактор объемом 15 л., компрессор и дифференциальный манометр. Общий вид установки представлен на рисунке 4. Определны ве-лечины полных потерь давления, коэффециента местных сопротивлений (kmc) барботажного трубопровода, а также время одного цикла барботажного перемешивания. Результаты экспериментальных исследований хорошо

Рис.3. Биореактор с системой перемешивания барботажного типа

согласуются с результатами теоретических расчетов по формулам 7-9, погрешность составила менее 12%.

Рис.4. Установка для определения гидродинамических параметров системы барбо-тажного перемешивания: 1 - биореактор; 2 — входной патрубок; 3 - патрубок выхода биогаза; 4 - компрессор; 5 - барботажный трубопровод; 6 - пузыри барботируемого газа.

_____ -■11111111

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по определению зависимости удельного выхода биогаза от варьируемых факторов. Получено эмпирическое выражение в виде уравнения регрессии процесса получения биогаза в биореакторе с барботажным перемешиванием, которое позволяет установить рациональный режим работы биогазовой установки

2^=234,69+43,62Х]-4,61Х12+65,6Х2-21,21Х22-32,29Х.ч-16,93Хз2+43,26X4-4,39ХЛ34,26X1X3-2,25Х1Хз+84,85Х1Х4+4,25X2X3+15,87X2X4-7,5X3X4. (10)

На основании уравнения регрессии были построены графические зависимости влияния варьируемых факторов на функцию отклика. При увеличении влажности бродильной массы удельный выход биогаза повышается (рис. 5). Это вызвано следующим: при увеличении влажности концентрация субстрата снижается, что ведет к повышению выхода газа. Однако, снижение концентрации субстрата, ограничивается снижением нагрузки по сухому органическому веществу, вследствие чего снижается производительность биогазовой установки.

Рис. 5. Графическая зависимость.

Т)

Увеличение частоты перемешивания бродильной массы до 5сут"' ведет к увеличению выхода биогаза. Из графиков видно (рис. 6), что дальнейшее увеличение частоты перемешивания практически не влияет на выход биогаза, при этом затраты энергии будут повышаться.

При увеличении температуры с 33,5°С до 34,5°С выход биогаза повышается, дальнейшее увеличение температуры до 40,5°С ведет к сниже-

нию выхода биогаза. Это объясняется тем, что оптимальным значением ме~ зофильноготемпературного режима является температура 35 °С.

Т=40.5 "<"•-1-39.5 ■л—т=37 -*«Т=34,5 -«-1=33.6

Рис. 6. Графическая зависимость

ом Т)

Увеличение продолжительности брожения с 23 до 30 суток ведет к повышению выхода биогаза на 30 %, а при повышении продолжительности процесса до 35 суток - на 14 %. (рис.7). Таким образом, оптимальным временем процесса получения биогаза в мезофильном температурном режиме является диапазон 30-35 суток.

- Т-40.5 ~Т=Зе.5

!-*-Т=34.5

30

г. сут

Рис. 7. Графическая зависимость

а,, =Ат, г)

На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработана инженерная методика расчета конструктивных и технологических параметров биореактора с бар-ботажным перемешиванием.

При расчете предусматривается две задачи - прямая и обратная:

1. Прямая задача. Задан объем и свойства исходного для переработки субстрата, необходимо определить конструктивные размеры биореактора, систем отопления и барботажного перемешивания с целью получения максимального выхода биогаза.

2. Обратная задача. Известны размеры аппарата и технологические параметры, требуется определить эффективность работы аппарата.

Методика реализована на ПК в виде пакета программных комплексов в среде программирования С++. Разработанное программное обеспечение включает следующие модули: Biogas.exe; Input.exe; ModelTech.exe; OptimTech.exe; Konstr.exe; Output.exe; Help.exe.

В главе 5 описаны промышленные испытания биореактора с барбо-тажным перемешиванием, для получения биогаза при переработке сельскохозяйственных отходов (рис.8). Испытания проводились на биогазовом комплексе предприятия ЗАО «Корочанский плодопитомник» (г. Короча,

Белгородская область). Комплекс предназначен для переработки отходов свиноводческого комплекса со среднегодовым поголовьем 6000 свиней и имеет следующие технические характеристики: пропускная способность по исходному субстрату 30-40 м3/сут\ выход биогаза 1200 м3/сут\ общий объем биореактора - 1300 м3; выход удобрений 3300 кг/сут; вид исходного субстрата — свиной навоз; температурный режим — мезофильный (33-35 °С); продолжительность брожения - 30 суток; режим работы - непрерывный; численность обслуживающего персонала - 2 чел ./смена.

Промышленные испытания показали рост эффективности работы установки получения биогаза с барботажным биореактором на 8%.

Выполнен технико-экономический расчет эффективности от внедрения биогазовой установки с барботажным биореактором, включающий определение энергетическийого, агробиохимического и экологического эффектов. Годовой экономический эффект составил 9 671 681 рубль, срок окупаемости - 1 год 5,5 месяцев.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Изучены физико-химические основы процесса получения биогаза, определены условия и факторы, оказывающие наибольшее влияние на эффективность процесса получения биогаза. Установлено, что одним из перспективных направлений совершенствования биогазовых установок является применение биореактора с барботажным перемешиванием, позволяющего повысить интенсивность перемешивания биомассы и предотвратить образование на поверхности среды плавающей корки, препятствующей выходу биогаза.

2. Получено эмпирическое уравнение для определения максимальной удельной скорости роста микроорганизмов цт при анаэробной ферментации субстрата в мезофильном температурном режиме. Определены значения коэффициентов, входящих в уравнение: ¿/«=-6,29658; /¿/=0,3816; /72=-0,0055. Эта зависимость позволяет определить значения температуры в диапазоне Т=30-40°С, при которых удельный выход биогаза будет максимальным.

3. Разработана математическая модель барботажного перемешивания биомассы, основанная на рассмотрении циркуляции двухфазного газожид-

Рис.8. Общий вид промышленной биогазовой станции

костного потока в турбулентном режиме. На основе модели проведен вычислительный эксперимент, позволяющий определить основные параметры процесса перемешивания и получить визуальную картину потоков биомассы в биореакторе. Для экспериментального биореактора значения величин скорости, расхода циркуляции биомассы и времени одного цикла перемешивания составили и<к=0,029 м/с; =0,00087 м /с, Аи„.=159 с.

4. Получена аналитическая зависимость для расчета коэффициента местных сопротивлений системы барботажного перемешивания оригинальной конструкции Сот> позволяющая определить потери давления и требуемое давление газа, подаваемого в систему барботажного перемешивания.

5. Экспериментально исследовано влияние варьируемых факторов на выход биогаза при барботажном перемешивании. Получено математическое выражение в виде уравнения регрессии О10 = /(IV, г], Т, т) процесса получения биогаза в биореакторе с барботажным перемешиванием. Установлены рациональные области значений варьируемых факторов: влажности биомассы 92...93 %, частоты перемешивания 3...5 раз/сут, температуры биомассы 33,5...34,5°С, продолжительности процесса брожения 30...35 суток., которые соответствует значению удельного выхода биогаза (2><>= 417,53 л/кг органического сухого вещества.

7. Разработана конструкция биореактора, оснащенного системой перемешивания барботажного типа, защищенная патентом РФ на изобретение №2430153 от 27.09.2011. Применение разработанного биореактора обеспечивает повышение эффективности процесса получения биогаза на 8-12%.

8. На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработана инженерная методика расчета основных конструктивно-технологических параметров биореактора с системой перемешивания барботажного типа, реализованная в виде пакета программных комплексов.

9. Осуществлено внедрение и проведены промышленные испытания биореактора с барботажным перемешиванием на ЗАО «Корочанский плодопитомник». При производительности установки по исходному субстрату 40 т/сут удельный выход биогаза составил 522 л/кг ОСВ, т.е. на 8 % больше по сравнению с биореактором, оснащенным гидравлическим перемешиванием. Технико-экономический расчет эффективности от внедрения биогазовой установки с биореактором барботажного типа показал, что годовой экономический эффект составил 9 671 681 рубль, а срок окупаемости -1,55 лет.

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах: Журналы, рекомендованные ВАК

Х.Суслов, Д.Ю. Биогазовые технологии - современный способ переработки органических отходов / Д.Ю. Суслов, Л.А. Кущев // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2010. - № 5. - С.44-46.

2. Кущев, Л.А. Интенсивная технология переработки органических отходов в биореакторах барботажного типа / Л.А. Кущев, Д.Ю. Суслов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2011. -№ 1. — С.40-42.

3. Кущев, Л.А. Моделирование процесса получения биогаза в биореакторах барботажного типа / JI.A. Кущев, Г.Л. Окунева, Д.Ю. Суслов, A.A. Гравин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2011. - № 9. -С.28-31.

Другие издания

4. Кущев, Л.А. Математическое моделирование процесса получения биогаза при переработке органических отходов / Л.А. Кущев, Д.Ю. Суслов,

A.И. Алифанова, Н.Ю. Никулин // Экология и промышленность Украины. — 2011. №3,-С. 59-61.

5. Kuschev, L.A. Research of the process of obtaining biogas in the bio-reactor with bubble mixing / L.A. Kuschev, D.Yu. Suslov //Applied Sciences in Europe: tendencies of contemporary development:Papers of the 1st International Scientific Conference. April 21, 2013,Stuttgart, Germany. - P. 156-159.

6. Патент на полезную модель. №96118. Российская Федерация. Биореактор барботажного типа/ Д.Ю. Суслов, Л.А. Кущев, Н.Ю. Никулин; заявитель и патентообладатель: БГТУ им. В.Г. Шухова. Заявл. 15.03.2010; Опубл.20.07.2010. Бюл№20. - 5с.

7. Суслов, Д.Ю. Разработка биореактора барботажного типа / Д.Ю. Суслов, Н.Ю. Никулин, Л.А. Кущев // Актуальные проблемы охраны природы, окружающей природной среды и рационального природопользования: сб. мат. I межд. науч.-практ. конф / Чебоксары: типография «Новое время», 2010. - С. 232-233.

8. Суслов, Д.Ю. Разработка технологической схемы интенсификации процесса получения биогаза при утилизации органических отходов / Д.Ю. Суслов, Л.А. Кущев // Сборник научно-исследовательских работ аспирантов финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности, г. Новочеркасск, октябрь 2010г. / Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). - Новочеркасск: Лик, 2010. - С. 260-264.

9. Кущев, Л.А. Расчет системы перемешивания биореакторной установки получения биогаза/ Л.А. Кущев, Д.Ю. Суслов, Г.Л. Окунева, В.И. Городов // Инновационные материалы и технологии: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф., Белгород, 11-12 окт. 2011 г./ Белгор. гос. технол. ун-т. -Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - 4.1. - С. 296-300.

10. Патент на изобретение. №2430153. Российская Федерация. Биореактор/ Д.Ю. Суслов, Л.А, Кущев.; заявитель и патентообладатель: БГТУ им.

B.Г. Шухова. Заявл. 26.10.2009; опубл. 27.09.2011. Бюл. №27. - 6 с.

11. Суслов, Д.Ю. Современные конструкции биореакторов для получения биогаза / Д.Ю. Суслов, P.A. Шатерников // Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика: материалы международной

научно-практической конференции. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012. -С.116-117.

12. Кущев, J1.A. Основные характеристики процесса получения биогаза при переработке органических отходов / J1.A. Кущев, Д.Ю. Суслов // Энергосбережение и экология в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве городов: междунар. науч.-практ. конф. / Белгор. гос. технол. ун-т. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. - С. 305-309.

13. Суслов, Д. Ю. Экспериментальные исследования процесса получения биогаза в барботажных биореакторах // Современные научные исследования. Выпуск 1. - Концепт. - 2013. - ART 53297. - URL: http://e-koncept.ru/article/670/ - Гос. per. Эл № ФС 77- 49965. - ISSN 2304-120Х.

Условные обозначения V— скорость выхода биогаза, м3/сут-м3; В0 - предельный выход биогаза из единицы органического вещества при бесконечном времени экспозиции, м3/кг; S — концентрация субстрата, кг/м3; г - продолжительность процесса брожения, сут; К - кинетический параметр; ¡лт - максимальная удельная скорость роста микроорганизмов, сут"1; Т - температура биомассы в биореакторе, К; Цо, Mi, И2 - эмпирические коэффициенты скорости роста микроорганизмов; м, — вектор скорости биомассы, м/с; о,- - вектор скорости «пузырьковой жидкости», м/с; Р - осредненное значение давления, Па; F, -сила межфазного взаимодействия, Н; Я(> П" - тензор турбулентных напряжений в биомассе и «пузырьковой жидкости»; кб„- турбулентная кинетическая энергия биомассы; е - скорость диссипации турбулентной энергии, Sy - символ Кронекера; ß - объемная концентрация пузырьков; тп - время динамической релаксации пузыря, c;fD- функция сопротивления; v,6 - коэффициент кинетической турбулентной вязкости биомассы; УГш - объем биомассы, м3; и„с - осредненная осевая скорость биомассы, м/с; Qu - расход циркуляционного потока биомассы, м3/с; Ra - радиус биореактора, м; К„ - коэффициент перемешивания с"1; Atfm - продолжительность цикла перемшивания, с; Дрып — потери давления в барботажном трубопроводе, Па; d,-„„ !,-„„ - диаметр и длина барботажного трубопровода, м; Я - коэффициент трения барботаж-ного трубопровода; и„, ик — скорость потока в начале и конце барботажного трубопровода, м/с; S,"""1, Scm - площадь отверстий и стенок барботажного трубопровода, м2; Vg„„ v„ - скорости газа в барботажном трубопроводе и отверстиях, м/с; S,l n - угол плавного поворота витков спирали, гвср - средний радиус витков барботажной трубы, м.

Подписано в печать Ю- (3 формат 60x84/16.

Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ № ¿80

Отпечатано в ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» 308012, Белгород, ул. Костюкова, 46.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г.Шухова»

На правах рукописи

Суслов Денис Юрьевич

ПОЛУЧЕНИЕ БИОГАЗА В БИОРЕАКТОРЕ С БАРБОТАЖНЫМ

ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

Специальность: 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

(технические науки)

СМ

^ Диссертация

О) на соискание ученой степени

СО со

^ ^ кандидата технических наук

со §

о -см £

Научный руководитель 0 доктор технических наук, профессор

Кущев Леонид Анатольевич

Белгород 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..........................................4

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................7

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА...........................12

1.1 .Характеристики процесса получения биогаза при анаэробной ферментации органических отходов...........................................................................12

1.2.Основные тенденции в развитии биогазовых технологий и аппаратов для получения биогаза..............................................................................24

1.3. Интенсификация процесса получения биогаза барботажным перемешиванием биомассы...................................................................................37

1.4. Математические модели, описывающие процесс получения биогаза.....40

1.5. Задачи исследования и методологические основы работы...................45

1.6. Выводы...................................................................................47

2.РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА В БИОРЕАКТОРЕ С БАРБОТАЖНЫМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ.......48

2.1. Получение биогаза в мезофильном температурном режиме..................48

2.2. Гидродинамические параметры системы перемешивания барботажного типа.................................................................................................51

2.3. Моделирование процесса барботажного перемешивания биомассы в биореакторе............................................................................................62

2.4. Тепловой баланс биореактора с барботажным перемешиванием............76

2.5.Вывод ы....................................................................................79

3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ

БИОГАЗА В БИОРЕАКТОРЕ С БАРБОТАЖНЫМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ.......80

3.1.Программа исследований и описание экспериментальной установки получения биогаза.....................................................................................80

3.2. Приборы, методики измерений и оценка достоверности полученных результатов..........................................................................................85

3.3.Математическое моделирование и матричное планирование многофакторного эксперимента..............................................................................90

3.4. Экспериментальные исследования гидродинамических параметров системы перемешивания барботажного типа.....................................................95

3.5.Математическая обработка результатов экспериментальных исследований...................................................................................................98

3.6.Вывод ы..................................................................................100

4 .РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............101

4.1. Исследование влияния варьируемых факторов на удельный выход биогаза...................................................................................................101

4.2. Разработка инженерной методики расчета биореактора, оснащенного системой перемешивания барботажного типа................................................112

4.3. Разработка пакета программных комплексов для расчета конструктивно-технологических параметров биореактора................................................117

4.4.Вывод ы..................................................................................125

5. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ

ВНЕДРЕНИЯ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ С БАРБОТАЖНЫМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ.........................................................................................126

5.1.Промышленные испытания биореактора с барботажным перемешиванием...................................................................................................126

5.2.Технико-экономический расчет эффективности внедрения биогазовой установки с барботажным перемешиванием................................................134

5.3. Выводы................................................................................140

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ........................................................................141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЕ А.........................................................................159

ПРИЛОЖЕНИЕ Б..........................................................................161

ПРИЛОЖЕНИЕ В..........................................................................163

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Обозначение Величина Размерность

А зольность % В0 предельный выход биогаза из единицы органического м3/кг вещества заданного состава при бесконечном времени экспозиции

С]:> коэффициент аэродинамического сопротивления

с теплоёмкость вещества Дж/(кг-К)

В диаметр аппарата м с1 нагрузка на реактор по органическому сухому веще- кг/(м3сут) ству

- - с/ диаметр элемента аппарата, пузыря м

F сила межфазного взаимодействия Н

^ площадь поверхности м2 функция сопротивления

Н высота аппарата м

к высота элемента аппарата или его участка м / степень перемешивания К кинетический параметр

к коэффициент теплопередачи Вт/(м2-К)

Ь длина аппарата или его участка м

/ линейный размер м

М масса вещества кг

N мощность Вт

п количественный размер шт

р давление Па

Qyд удельный выход (расход) биогаза м /кг АСВ

тепловая нагрузка Дж

5 радиус аппарата или его элемента м

концентрация субстрата кг/м3

51 площадь поперечного сечения м2

Т температура К

и скорость движения биомассы м/с

V объемный расход вещества м3/сут

V объем вещества м3

V объем аппарата или его элемента м3

IV влажность вещества %

Кп относительное объемное содержание %

X координата

У координата

г координата

а коэффициент теплоотдачи Вт/(м3К)

Р объёмная концентрация пузырьков %

8 символ Кронекера

Б скорость диссипации турбулентной энергии м2/с2

С коэффициент местного сопротивления

К турбулентная кинетическая энергия м2/с2

Л коэффициент трения

м динамическая вязкость Пас

Мт максимальная удельная скорость роста микроорганизмов сут"1

М2 коэффициенты скорости роста микроорганизмов

К коэффициент турбулентной вязкости м2/с

ПУ тензор турбулентных напряжений м2/с2

а поверхностное натяжение Н/м

Р плотность среды кг/м3

Т время с

V скорость газа м/с

(р угол 0

вг Критерий Грасгофа

Бг Критерий Фруда

N11 критерий Нуссельта

Рг критерий Прандтля

Яе критерий Рейнольдса

We Критерий Вебера

ИНДЕКСЫ ВЕЛИЧИН

Индекс Величина

у числовой порядок элемента

0,1,2,... обозначение состояний б биореактор

бм биомасса бт барботажный трубопровод в вода

в виток

г газовая фаза

зм теплообменный аппарат - змеевик к конечное значение

н навоз

н начальное значение

о отверстие

П пузырь пр приведенное значение см смесь ср среднее значение

ст стенка т теплоноситель

те твердая фаза уд удельное значение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Развитие народного хозяйства Российской Федерации в условиях рыночной экономики определяет необходимость дальнейшего совершенствования процессов и аппаратов химических технологий различных производств. В отечественной и зарубежной практике все большее применение находят системы энергоснабжения сельскохозяйственных предприятий с использованием альтернативного источника энергии - биогаза. Биогаз образуется в результате анаэробной ферментации органических веществ, при этом происходит переработка отходов и получение высокоэффективных биоудобрений, что также решает экологические и агробиологические проблемы сельскохозяйственных предприятий.

Для производства биогаза широкое применение получили биореакторы с механическими системами перемешивания. Основным недостатком данных биореакторов является ограниченная зона перемешивания, вследствие чего возникают застойные зоны, в которых скапливается осадок, а также наблюдается образование на поверхности биомассы корки, препятствующей выходу биогаза.

Решение этих проблем возможно при применении биореакторов с системой перемешивания барботажного типа, однако в настоящее время процесс получения биогаза в биореакторах с барботажным перемешиванием является недостаточно изученным.

Поэтому актуальной задачей является исследование процесса получения биогаза при барботажном перемешивании биомассы и разработка конструкции биореактора.

Работа выполнена в соответствии с ГК № 17/14227 от 31.08.2011 года по программе "У.М.Н.И.К." и «Концепцией развития биоэнергетики и биотехнологий в Белгородской области на 2009-2012годы». (Постановление Правительства Белгородской области от 08.06.2009г. №183-пп).

Цель работы. Интенсификация процесса получения биогаза барботажным перемешиванием биомассы и разработка оригинальной конструкции биореактора.

Достижение этой цели осуществляется путем решения комплекса задач:

- изучение физико-химических основ процесса получения биогаза при анаэробной ферментации органических отходов; _

- разработка математической модели процесса получения биогаза в биореакторе с барботажным перемешиванием биомассы;

- разработка патентно-защищенной конструкции биореактора, оснащенного системой перемешивания барботажного типа;

- выполнение натурных экспериментальных исследований процесса получения биогаза на экспериментальной и промышленной установках;

- разработка инженерной методики расчета биореактора получения биогаза с системой барботажного перемешивания, реализованной в виде пакета программных комплексов;

- расчет экономической эффективности применения биогазовой установки для переработки органических отходов в биореакторе с барботажным перемешиванием .

Научная новизна

1. Разработана математическая модель процесса барботажного перемешивания биомассы, основанная на рассмотрении циркуляции двухфазного газожидкостного потока в турбулентном режиме.

2. В результате численного решения уравнений Навье-Стокса для двухфазного газожидкостного потока найдены осредненная осевая скорость и/иос и расход биомассы (Зц, а также время цикла барботажного перемешивания

3. Предложена зависимость для расчета коэффициента местных сопротивлений Сбт устройства барботажного перемешивания оригинальной конструкции.

4. Получена эмпирическая зависимость для определения максимальной удельной скорости роста микроорганизмов /лт при анаэробной ферментации субстрата в мезофильном температурном режиме.

5. Найдена эмпирическая зависимость удельного выхода биогаза от частоты перемешивания, продолжительности процесса, влажности и температуры био-

массы.

Методы исследований. Основные теоретические и экспериментальные разработки, представленные в диссертации, базируются на применении методов классической гидро- и газодинамики, теории математического моделирования, планирования экспериментов и статистической обработки результатов.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается: адекватностью математической модели процесса получения биогаза результатам экспериментальных данных с применением матричного планирования; удовлетворительной сходимостью результатов расчетных и экспериментальных данных по удельному выходу биогаза.

Практическая ценность

Разработана конструкция биореактора, оснащенного барботажной системой перемешивания, позволяющего повысить эффективность процесса получения биогаза при переработке органических отходов. Новизна конструктивного решения защищена патентом РФ на изобретение №2430153 опубл. 27.09.2011.

Разработана инженерная методика расчета биореакторов, оснащенных системой перемешивания барботажного типа, позволяющая определить рациональные конструктивно-технологические параметры аппарата.

Разработан пакет программных комплексов расчета биореакторов с удобным пользовательским интерфейсом, приемлемым временем расчета и визуальным представлением результатов моделирования.

Результаты исследований и экспериментальная установка используются в учебном процессе БГТУ им. В.Г. Шухова при изучении дисциплин «Системы промышленного газоснабжения», «Газоснабжение», «Основы научных исследований».

Автор защищает:

- математическую модель барботажного перемешивания биомассы в виде двухфазного газожидкостного потока в турбулентном режиме движения;

- аналитические зависимости, определяющие максимальную удельную ско-

рость роста микроорганизмов и коэффициент местных сопротивлений системы барботажного перемешивания;

- результаты вычислительного эксперимента, позволившего определить основные параметры процесса перемешивания и получить визуальную картину потоков биомассы в биореакторе;

- результаты экспериментальных исследований в виде уравнения регрессии по определению удельного выхода биогаза в биореакторе с системой барботажного перемешивания;

- инженерную методику расчета основных конструктивно-технологических параметров биореактора, реализованную в виде пакета программных комплексов с использованием численных методов решения уравнений;

- разработанную патентно-защищенную конструкцию биореактора, оснащенного системой перемешивания барботажного типа, позволяющего повысить эффективность процесса получения биогаза.

Реализация работы

Теоретические положения и практические результаты научной работы внедрены на ЗАО «Корочанский плодопитомник» в г. Короча Белгородской области.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: Международных научно-практических конференциях Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (2009-2012); Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2008); Международной научно-практической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2008); Международной научно-практической конференции «Тех-носферная безопасность, надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение» (Ростов, 2012); 1st International Scientific Conference «Applied Sciences in Europe: tendencies of contemporary development» (Stuttgart, Germany, 2013).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 2 патента РФ на изобретение и на полезную модель.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложений. Материал изложен на 163 страницах машинописного текста, в том числе 13 таблиц и 46 рисунков, список использованной литературы состоит из 167 наименований, из них 48 на иностранных языках.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА

1.1. Характеристики процесса получения биогаза при анаэробной ферментации органических отходов

Одним из важнейших направлений развития народного хозяйства Российской Федерации является технологическая модернизация систем и оборудования химической и смежных отраслей промышленности. При этом важную роль играет дальнейшее развитие теоретического описания процессов и аппаратов различных производств. Значительный вклад в развитие теории моделирования процессов химической технологии внесли: Кафаров В. В., Дорохов И.Н., Винаров А. Ю., Гордеев Л.С., Лабутин А.Н. и др. Эти исследования предопределили высокий уровень развития химических технологий, определяющих развитие экономики страны в целом [24,46,47,62].

На современном этапе развития РФ большое внимание уделяется развитию агропромышленного комплекса (АПК) страны, который производит основные продукты, необходимые для жизнедеятельности человека. Ситуация со снабжением продуктами питания обострилась в связи со вступлением РФ во Всемирную торговую организацию. Известно, что продукты отечественного производства, отличаясь высоким качеством, проигрывают в стоимости. Одной из причин этого является постоянно растущие цены на энергоносители [25].

В Российской Федерации принята «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия», что привело к резкому увеличению количества животноводческих и птицеводческих предприятий, требующих эффективного и стабильного энергообеспечения [85].

Основным видом топлива для энергоснабжения сельскохозяйственных предприятий является природный газ, наиболее эффективный и экологически чистый

источник энергии [52]. Газоснабжение сельскохозяйственных предприятий позволяет улучшить условия содержания животных и повысить производительность хозяйства. Объектами газоснабжения являются помещения содержания животных, в которых для отопления и вентиляции используются генераторы горячего воздуха, котельная для производства горячей воды и пара на технологические нужды, оборудование для приготовления кормов, а также здания и помещения обслуживающего персонала, содержащие котлы и водонагреватели для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения [3].

Известно, что большинство сельскохозяйственных пре�