автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности работы малых биореакторов для анаэробной переработки органических отходов животноводства

На правах рукописи

Медяков Андрей Андреевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ МАЛЫХ БИОРЕАКТОРОВ ДЛЯ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА

Специальность 05.20.01 - «Технологии и средства механизации сельского хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ДПР 2012

Йошкар-Ола-2012

005019878

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Марийский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «МарГТУ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сидыганов Юрий Николаевич

Официальные оппоненты: кандидат химических наук,

доктор технических наук, профессор Григорьев Виктор Степанович, ведущий научный сотрудник ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии

доктор технических наук, профессор Кирсанов Владимир Вячеславович, ученый секретарь Российской академии сельскохозяйственных наук (РАСХН)

Ведущая организация: Государственное научное учреждение

«Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации животноводства»

(ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии)

Защита диссертации состоится «17» мая 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ.006.034.01 при Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка» (ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии) по адресу: 109428, г. Москва, 1-й Институтский пр., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка» (ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии)

Автореферат разослан « О £» С^^вхАХ 2012 г.

Ученый секретарь О^^уГ*'

диссертационного совета У у & Р. Ю. Соловьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В рамках реализации отраслевой целевой программы «Развитие пилотных семейных молочных животноводческих ферм на базе крестьянских (фермерских) хозяйств» за 2009-2010 годы построено и реконструировано 311 семейных ферм и увеличено поголовье коров молочной породы более чем на 23 тыс. голов. В программе участвуют хозяйства с поголовьем от нескольких десятков до 100 голов. Таким образом, в настоящее время малые семейные фермы с увеличением их количества становятся одним из источников неиспользуемых навозных стоков, что создает условия для загрязнения грунтовых вод и воздушного бассейна, а также представляет опасность биологического загрязнения патогенными микроорганизмами прилегающих территорий.

Для решения задачи утилизации органических отходов применяют технологии анаэробной переработки, которые позволяют утилизировать различные органические отходы, образующиеся на сельскохозяйственных предприятиях, с получением высококачественных удобрений и альтернативного энергоносителя - биогаза.

Однако в семейных фермерских хозяйствах установки для анаэробной переработки органических отходов еще не нашли широкого распространения. Это связано с тем, что существующие установки недостаточно эффективны ввиду высокой удельной энергоемкости (0,85 кВт/м3), поэтому считается недостаточно рентабельным использование малых установок с объемом переработки до 40 тонн отходов в сутки. Существующие установки ввиду высокой удельной материалоемкости (110 кг/м3) требуют значительных начальных денежных затрат, что затрудняет внедрение установок в малые хозяйства. Кроме того недостаточная компактность установок (Зм2/м3) приводит к нерациональному использованию полезных площадей малых хозяйств.

Существенного повышения потребительских свойств малых биогазовых установок можно достичь путем применения комплекса, состоящего из барботажного перемешивающего устройства и каталитического устройства сжигания. В этой связи повышение эффективности работы малых биореакторов для анаэробной переработки органических отходов животноводства за счет обоснования конструкции и параметров системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева является актуальной проблемой, представляющей научный и практический интерес.

Работа выполнена в рамках государственных контрактов №16.552.11.7050 от 29.07.2011 г. Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» «Проведение ЦКП «ЭБЭЭ» научно-исследовательских работ в области эколо-

гии, биотехнологии и процессов получения экологически чистых энергоносителей» и № 8976Р/14048 от 19.04.2011 года Фонда содействия развитию малых форм предприятий в НТС «Проект каталитического подогревателя барботажных сред».

Цель работы. Повышение эффективности работы малых биореакторов для анаэробной переработки органических отходов животноводства за счет обоснования конструкции и параметров системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева.

Объект и предмет исследований. Объектом исследования являются малые биореакторы с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева для анаэробной переработки органических отходов животноводства. Предметом исследования являются особенности процесса функционирования системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева в малых биореакторах для анаэробной переработки органических отходов животноводства.

Методы исследования. В процессе исследования использованы методы математического моделирования, вычислительного эксперимента, натурного эксперимента, математического планирования и математической статистики.

Научная новизна исследований заключается в разработанных:

- схемно-конструктивных решениях системы перемешивания и обогрева, отличающихся использованием барботажного перемешивающего устройства и каталитического устройства сжигания в рамках комплекса;

- математической модели процесса функционирования системы каталитического обогрева малых биореактора, отличающейся учетом особенностей разработанных схемно-конструктивных решений;

- математической модели малого биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева, отличающейся учетом специфики барботажного перемешивания нагретым газом.

Новизна технических решений подтверждена 2 патентами РФ на полезную модель.

Положения, выносимые на защиту:

1. Схемно-конструктивные решения системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева малых биореакторов для анаэробной переработки органических отходов животноводства.

2. Математическая модель процесса функционирования системы каталитического обогрева биореактора.

3. Математическая модель функционирования малого биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева.

4. Результаты экспериментальных исследований биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева.

Практическая значимость. Схемно-конструктивные решения системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева, рекомендуемые для малых установок на семейных животноводческих фермах, позволяют снизить энергоемкость, материалоемкость биореакторов и сделать их более компактными.

Получены рациональные технологические параметры системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева по условиям стабильности, равномерности поддержания температурных условий в биореакторе и потреблению топлива системой, подтвержденные результатами экспериментальных исследований.

Достоверность результатов основывается на достаточном объеме теоретических и экспериментальных исследований с применением методов математического моделирования и статистической обработки результатов экспериментальных исследований с использованием вычислительной техники. Достоверность и адекватность результатов теоретических исследований подтверждаются достаточной сходимостью с экспериментальными данными. Выводы, изложенные в работе, обоснованы теоретически и отражают физическую сущность рассматриваемых процессов.

Личное участие автора в получении результатов. Лично автором проведены исследования системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева биореакторов, разработаны схемно-конструктивные решения, математические модели функционирования системы каталитического обогрева биореактора и малого биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева, спроектирован и натурно реализован экспериментальный образец биореактора с разработанной системой перемешивания и обогрева. Автором разработана методика экспериментальных исследований, произведены обработка данных, анализ и обобщение результатов исследований.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы внедрены в сельскохозяйственном производственном кооперативе сельскохозяйственной артели «Страда» (СПК СХА «Страда») и ООО «Волговятскмеханика», а также в учебный процесс и используются при подготовке бакалавров по направлению 110300.62 - «Агроинженерия» в курсе «Механизация животноводства».

Апробация работы. Результаты проведенных исследований обсуждены и одобрены на конкурсе молодежных инновационных проектов V Всероссийского фестиваля науки (Йошкар-Ола, 2010 г.), Всероссийской студенческой научно-практической конференции «Инновационные технологии при решении инженерных задач» (Ульяновск, 2011), Девятой

Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука -региону» (Вологда, 2011), Международной молодежной научной конференции «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2011), научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава «Исследования, технологии, инновации» (Йошкар-Ола, 2011), выставке «Связь. Информатика. Электронное правительство» (Йошкар-Ола, 2011), Всероссийской междисциплинарной научной конференции с международным участием «Россия в глобальном мире: вызовы и перспективы развития» (Йошкар-Ола, 2011, Диплом II степени), Всероссийском конкурсе инновационных проектов и идей научной молодежи (Москва, 2011, Диплом I степени), программе «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Йошкар-Ола, 2011 г., почетная грамота победителя программы).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 работах, включая 2 патента на полезную модель, 16 научных статей, в том числе 5 в журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, шесть глав, заключение, список литературы, включающий 163 наименования, из них 19 на иностранных языках, и приложения. Диссертация содержит 240 стр., из них 203 стр. основного текста, 87 рисунков и 27 таблиц. Приложения содержат 37 стр., 20 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель, научная новизна, выносимые на защиту положения, научная и практическая значимость, личный вклад автора.

В первой главе рассматривается состояние исследований в области проектирования систем для анаэробной переработки органических отходов, в частности в области устройств каталитического обогрева и барботажного перемешивания.

Большой вклад в развитие научных знаний о процессе переработки органических отходов и применяемых технико-техноло-гических системах внесли Андрюхин Т.Я., Баадер В., Григорьев B.C., Гюнтер Л.И., Дубровский B.C., Дурдыбаев С.Д., Евтеев В.К., Келов К.Н, Кирсанов В.В., Коваленко В.П., Ковалёв Н.Г., Ковалёв A.A., Ковалёв Д.А., Мариненко Е.Е., Мишуров Н.П., Панцхава Е.С., Пузанков А.Г., Цой Ю.А., Сидыганов Ю.Н., Шамшуров Д.Н. и др. Вопросами движения среды и теплообмена в ней при барботажном воздействии занимались Рамм В. М., Кутателадзе С. С., Старикович М. А., Тодес О. М., Ка-

саткин А. Г., Пилбс Ф., Гарбер X., Броунштейн Б. И., Жильцова О. А., Тур А. А., Кафаров В. В., Биркин С. М. и др. Исследованиями в области каталитического окисления углеводородов и устройств каталитического сжигания занимались Боресков Г. К., Крылов О. В., Пармон В. Н., Лукьянов Б. Н., Мухленов И. П., Пахаруков И. Ю., Чжу Д. П., Залозная Л. А., Диденкулова И. И., Пугачева Е. В., Б. М. Каденаци и др.

Анализ проблемы показал, что малые биогазовые установки для анаэробной переработки органических отходов не нашли широкого распространения в связи с тем, что существующие конструкции ввиду высокой энергоемкости являются недостаточно рентабельными, ввиду высокой материалоемкости требуют значительных начальных денежных затрат, а недостаточная компактность установок приводит к нерациональному использованию полезных площадей хозяйств. Однако применение комплекса, включающего каталитическое устройство обогрева и барботажное перемешивающее устройство, позволяет снизить энергоемкость установок за счет полного сжигания топлива и использования скрытой теплоты парообразования при барботировании топочных газов, а также позволяет снизить материалоемкость и занимаемую установками площадь за счет отсутствия систем водяного отопления, специальных теплообменников и рубашек обогрева.

В этой связи для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Разработать схемно-конструктивные решения системы барботаж-ного перемешивания и каталитического обогрева в малых биореакторах для анаэробной переработки органических отходов животноводства.

2. Разработать математическую модель процесса функционирования системы каталитического обогрева биореакторов для анаэробной переработки органических отходов животноводства.

3. Провести теоретические исследования процессов барботажного перемешивания нагретым газом с учетом особенностей предложенных схемно-конструктивных решений.

4. Разработать математическую модель малого биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева.

5. Провести экспериментальные исследования биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева.

6. Оценить экономическую эффективность использования малых биореакторов для анаэробной переработки органических отходов животноводства с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева.

Во второй главе представлены схемно-конструктивные решения системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева биореактора, описан процесс формирования структуры катализатора на образцах, представлены результаты исследования полученных образцов катализаторов с помощью зондовой микроскопии, описана математическая модель процесса функционирования системы каталитического обогрева биореактора.

На рис. 1 представлена разработанная и защищенная патентом конструкция системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева субстрата. В процессе работы устройства сжигаемая смесь поступает в камеру каталитического горения, в которой происходит процесс полного окисления с выработкой тепла. Затем уходящие газы, проходя через распределительные трубопроводы, поступают в барботажное устройство и барботируются через толщу субстрата, отдавая всю заключенную в них теплоту, в том числе скрытую теплоту парообразования.

Эффективность каталитического сжигания газа обусловливается не только активностью покрытия и временем контакта смеси с каталитическим наполнителем, но и структурой наполнителя. Объем сжигаемого газа (V;.) представляет собой функцию:

V, =/(,»„„,УМ^,, ДО, (1)

где ткат - масса наполнителя; УКА - удельная каталитическая активность покрытия наполнителя; Бэф - эффективная площадь; At - время контакта с наполнителем.

Для выявления особенностей формирования эффективной структуры каталитически активного оксидного покрытия было создано 13 образцов катализатора на основе носителя-силикагеля, покрытого оксидом меди, при различных концентрациях изначальных растворов и марках носителя. Полученные образцы были исследованы с помощью зондово-го микроскопа NTEGRA PRIMA BASIC Центра коллективного пользования «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей», результат сканирования одного из образцов представлен на рис. 2.

Сжигаемая смесь

Рис. 1. Система барботажного перемешивания и каталитического обогрева

Проведенные исследования позволили учесть при математическом моделировании системы каталитического обогрева параметры каталитически активного наполнителя, отличающегося эффективной структурой.

Разработанная математическая модель процесса функционирования системы каталитического обогрева биореакторов представляет собой зависимость между конструктивными параметрами катализатора, параметрами его работы и количеством потребляемого им газа:

Рис. 2. Результат сканирования образца

*Д1*<т -Т )

х каш пир' 2

V, =-

Ср\<*(Тшш-О

(2)

ЧСр\,*(Ткат-ТІ,)+Ср\...*(ТІ~ ТІ))

' ог-с

I Т„т ) 2*0^ * (^горения Тн(Сс0 +2*СЙ!0)*(7_ Та

где Ут - объем израсходованного топлива, м1; Мцг - суммарная масса циркулирующего газа, кг; Ср2„.г. - удельная теплоемкость циркулирующего газа при постоянном давлении в диапазоне [ ...7^', ], Дж/(кг*°С);

- необходимая температура циркулирующего газа, °С; 7'" - температура циркулирующего газа до входа в катализатор, °С; катчж - коэффициент теплопередачи катализатор - окружающая среда. Вт/(м2*°С); к -

площадь теплопередачи катализатор - окружающая среда, м2; А? - период работы катализатора, с; Ткат - температура катализатора, °С; Тиар -температура окружающей среды, °С; Ср°„.г. - удельная теплоемкость циркулирующего газа при постоянном давлении в диапазоне [т° т ],

!(..'." кап 1.

Дж/(кг*°С); Ср',1.г - удельная теплоемкость циркулирующего газа при постоянном давлении в диапазоне [г1 т ], Дж/(кг*°С); О Г, - низшая

Ч.г.'" каш

удельная теплота сгорания топлива, Дж/м3; С

снл

удельная объемная теплоемкость метана, Дж/(м3*°С); Тгоретя - температура каталитического горения, °С; Т"'°" - температура топлива, °С; 0>2 - удельная объемная теплоемкость кислорода, Дж/(м3*°С); - температура кислорода, °С; Ссо - удельная объемная теплоемкость углекислого газа, Дж/(м3*°С); С,. - удельная объемная теплоемкость паров воды, Дж/(м3*°С).

Разработанная математическая модель является составной частью обобщенной математической модели малого биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева.

В третьей главе представлены теоретические исследования процессов барботажного перемешивания нагретым газом.

Для моделирования выбран метод элементарных тепловых балансов, в рамках которого объем биореактора разбивается на элементарные геометрические формы; величины тепловых потоков, средние за интервал моделирования, являются пропорциональными среднему для этого интервала температурному градиенту; повышение теплосодержания объема - пропорциональным повышению его температуры.

С учетом выбранного метода для каждой ячейки дискретной модели субстрата для интервала моделирования может быть составлен тепловой баланс вида:

0и (ЛСОсед ^ Qc0ceд (3)

яч / .х-тспктиаг. / . х^лтссооб ~ лСогр_констр'

/1=1 /1=1

01/ у-ьСОСед

яч - теплота, подводимая к ячейке (/ - строка, ] - столбец); Угт„т„г„« - теплота, передаваемая теплопроводностью от соседей ячейки; т - количество соседей ячейки; (¿^сооб ' теплота> передаваемая тепломассообменом от соседей ячейки; ^ - теплота, передаваемая теплообменом с проходящими через ячейку нагретыми пузырьками; - тепло-

та, передаваемая через ограждающую стенку биореактора.

Тепловые балансы для всей совокупности ячеек могут быть представлены в виде системы (*_/' уравнений:

01-1 _ V1 +у л»«» (П + п

л=1

■игр _ констр >

/л /п (4)

01"2 = V 0СЖ"> + V /)'Жед _!_/} +0

/ ,х£тепч1>пгюв / < ыпггппа *£огр^констр '

/1=1

24 -у Осос'д П"к"> +П +П

/ 1 ¡¿тетитпов / , мсксооб ' ъ£о?р _ констр'

/1=1 /1=1

Ввиду значительной дискретизации модели субстрата для решения системы линейных уравнений в процессе математического моделирования выбран метод Крамера.

При составлении тепловых балансов использовались уравнения передачи теплоты с помощью теплопроводности, составленные в соответствии со схемой (рис. 3):

ДТ АТ Д7" . „ Д7\,

= (5)

где 9+1,9-1, , Ч-у - тепловые потоки между ячейками в соответствии

с принятой схемой процесса; , - перепады темпе-

ратуры между ячейками в соответствии со схемой; в, Ь -длина и высота ячейки в соответствии со схемой.

Рис. 3. Схема процесса передачи теплоты с помощью теплопроводности для центральных ячеек с каждой из соседних ячеек

Рис. 4. Схема процесса передачи теплоты при тепломассообмене с соседними ячейками для центральных ячеек

В соответствии со схемой (рис. 4) была составлена совокупность выражений для определения теплоты, поступающей при тепломассообмене от каждой соседней ячейки:

.ТІ.+ТІ

т о +т\

2 2

Г+Т

т°_г+т!_, т°+т' 2

Т" +Т

Ч-

2

„ + Г'.

■). (6)

I

2 2 " ^ ''' ~ 2 2 где ^х, ^2-л, ¿б*.», - теплота, поступающая от соответствующих соседних ячеек; ¿С , Л7 (ів_у - масса вещества, поступающая из

соответствующих ячеек.

В математической модели учитывается изменение состояния газа в пузырьках при всплытии в биореакторе. При взаимодействии пузырька газа с субстратом происходят изобарное охлаждение и изотермическое расширение газового пузырька. Получены уравнения для определения средних значений объема, диаметра и скорости подъема пузырька в течение каждого из процессов.

С помошью программного продукта 8оПс1\¥огк5-Р1о\Уогк5 было произведено моделирование (рис. 5) локальных процессов, происходящих при барботажном перемешивании нагретым газом, оценены области физического воздействия пузырьков и характер процессов.

Скорости субстрата определяются при условии установившегося движения, когда все силы, действующие на поток субстрата в биореакторе, будут уравновешивать друг друга. Условие равновесия после упрощения запишется следующим образом:

Л2 * - Я2 * -(2* А + С)2 *(7)

где А - коэффициент, характеризующий силу, С которой поднимающиеся П°ле ск°Ростей Поле температур пузырьки барботируемого газа дейст- Рнс'5' РезУльтаты моделирования вуют на субстрат; В - коэффициент, характеризующий силу трения о стенки биореактора; С - коэффициент, характеризующий силу вязкого трения; К,б_цш„ - скорости движения субстрата в центральной зоне;

ц>°р3 - средняя скорость движения пузырька.

Представленные в главе зависимости позволяют составить математическую модель малого биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева, устанавливающую взаимосвязь между конструктивными параметрами биореактора, барботажного устройства, технологическими параметрами процесса переработки животных органических отходов, внешними условиями функционирования установки и параметрами, характеризующими эффективность поддержания стабильных и равномерных температурных условий в биореакторе и потребления топлива системой обогрева.

В четвертой главе представлены описание программно реализованной математической модели функционирования малого биореактора для переработки отходов животноводства с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева, план и результаты вычислительного эксперимента.

Математическая модель функционирования малого биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева

была реализована на ЭВМ в среде Microsoft Office Excel с использованием возможностей встроенного пакета Visual Basic for Application.

Диапазон варьирования входных факторов вычислительного эксперимента, определенный по критерию практической значимости результатов исследования, представлен в табл. 1.

Таблица і - Диапазон варьирования входных факторов вычислительного эксперимента

Фактор Диапазон варьирования

Диаметр биореактора (Обр), м 0,5 - 5

Интенсивность перемешивания органических отходов ({п») 0,24-0,45

Температура барботируемого газа (Тбаре.г.), "С 50- 100

Температура тепловой прослойки (Ттеп.1.), "С 20-50

Температура окр. среды (Токр), "С 0-20

В результате проведении вычислительного эксперимента на разработанной математической модели в соответствии с планом многофакторного эксперимента были получены значения выходных факторов (отклик) вычислительного эксперимента, которые в результате статистической обработки позволили получить нелинейные регрессионные модели для отклонения средней по объему биореактора температуры от оптимальной (отклТср\ среднего квадратичного отклонения температуры по объему биореактора (СКО), потребления газа системой барбо-

тажного перемешивания и каталитического обогрева (К«*,):

отклТер = -0,06* 1п(0,889*+ 0,555) + 0,015*£хр(3,192*£ „„,«„) + 0,002*7^ + (3)

+ 0,035 * (-1,667 + 0,133 * 7„,„, - 0,102,

СКО = (0.889* 06р + 0,555)~2 *(0,132*кшти +7.526*10 7*3 -1.5*10-*Т^3 + (9) + 0,010*7^,, -0,011 * 7 + 0,166) + 0,04.

К™ = 0,004* 06/ + 0,0013* й6р -1172,9* к 4„„,„« +1647.26* к \„п - 843,85* к 2,„„„™ + +187,9*киша+0,0026*г -5,632*10"'' *Т\,„, + 7.93*10^ *Т\,е„. - ^

-0,04*7*«« +0,895*7,„„, +1,28*10'5 -6,8*10- *73„ч,+0,009*Г2„г1 --0,044*7ОЧ)-26,04,

где . диаметр биореактора; *,„,„,= 0.24..Д45 . интенсивность

перемешивания; ТбарАг =50... 100'С - температура барботируемого газа; Ттеп =20...50"С - температура тепловой прослойки; ТОКр =0...20"С - температура окружающей среды.

Полученные уравнения регрессии, графически представленные на рис. 6, устанавливают количественную связь между конструктивными параметрами биореактора, барботажного устройства, технологическими параметрами процесса переработки животных органических отходов,

ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ

Рис. 6. Графики зависимостей, построенные по регрессионным уравнениям

В пятой главе представлены экспериментальные исследования натурно реализованного биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева, обосновываются критерии подобия, приводятся план экспериментальных исследований, описание экспериментальной установки и анализ результатов экспериментальных исследований.

Экспериментальный образец биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева представлен на рис. 7.

Бпореакгор (0,2м3)^ ШШШШШШ

ИМЯ ёнву

отамстр

компрессор (200 л/мин)

Рис. 7. Экспериментальный образец биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева

внешними условиями функционирования установки и параметрами эффективности поддержания стабильных и равномерных температурных условий в биореакторе и энергопотребления системы обогрева.

В систему барботажного перемешивания и каталитического обогрева с помощью компрессора подается газовый теплоноситель. Расход теплоносителя регулируется с помощью регулировочного клапана и фиксируется с помощью ротаметра, расположенного после компрессора.

Количество подаваемых сжигаемого газа и кислорода регулируется с помощью клапанов, и расход газа регистрируется с помощью счетчика ИРГ-1000. Смесь подается в каталитический источник тепла, в котором происходит реакция низкотемпературного окисления. Затем уходящие после процесса горения газы смешиваются с газообразным теплоносителем. Температура полученной смеси контролируется с помощью датчика температуры ДТПК 045. С помощью запорных кранов нагретый газообразный теплоноситель подается либо в барботажное устройство биореактора, либо в тепловую прослойку. Для регистрирования температуры тепловой прослойки и распределения температуры в биореакторе используются датчики температуры ДТС 034. Датчики температуры подключаются к блоку регистрации МВА 8, который позволяет сохранять данные о значениях температуры в определенный момент времени на ПЭВМ.

Для проведения исследований использовались навозные стоки животноводческого комплекса КРС, приведенные к влажности 90%.

В соответствии с планом экспериментальных исследований для каждого опыта имитировалось по 5 циклов работы. Надежность оценки отклика была достаточной (0,90) для каждого опыта серии.

На рис. 8 представлены графики, построенные по данным экспериментальных исследований.

а)

Рис. 8. Графики: а) отклонения средней температуры в биореакторе от оптимальной (откл Тер), °С б) среднего квадратичного отклонения температуры в биореакторе (С/СО), °С в) потребления газа системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева (Угаза) м3/ч от температуры барботируемого газа (Г&рбл), °С и температуры тепловой прослойки (Т„,„и), °С при интенсивности перемешивания субстрата (к,тнж-) равной 0,24. в)

70

Тбарб.г.,"С

Ттепл., С 50

Рациональными параметрами системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева по стабильности, равномерности температурных условий в биореакторе и потреблению газа системой являются температуры барботируемого газа, газовой прослойки, равные температуре выбранного режима переработки (50°С), и слабая интенсивность перемешивании субстрата (0,24). При проведении экспериментальных исследований выход биогаза составлял в среднем 0,24 м3/сут.

Расхождение между значениями, полученными с помощью математической модели, и экспериментальными данными находится в пределах 10%, что позволяет сделать вывод об адекватности разработанной математической модели функционирования малого биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева и достоверности результатов, получаемых при математическом моделировании.

В шестой главе приведены показатели эффективности системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева и определены экономические показатели инвестиционного проекта по организации производства малых биогазовых комплексов с разработанной системой. Чистый приведённый доход за 3 года при организации производства малых биогазовых комплексов с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева составляет 248 236 р. Результаты диссертационного исследования внедрены в практику производственной деятельности животноводческого комплекса КРС сельскохозяйственного производственного кооператива сельскохозяйственной артели «Страда» (СПК СХА «Страда») и ООО «Волговятскмеханика».

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны схемно-конструктивные решения системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева биореакторов для анаэробной переработки органических отходов животноводства, позволяющие снизить энергоемкость малых установок в среднем на 9%, а также материалоемкость на 27% и удельную компактность на 12 %.

2. Разработана математическая модель процесса функционирования системы каталитического обогрева биореакторов для анаэробной переработки органических отходов животноводства.

3. Проведены теоретические исследования процессов барботажного перемешивания нагретым газом с учетом особенностей предложенных схемно-конструктивных решений.

4. Установлено, что за время перемешивания температура субстрата не поднимается выше критической для процесса переработки (70°С) при температуре барботируемого газа до 100°С.

5. Разработана математическая модель малого биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева, устанавливающая взаимосвязь между конструктивными параметрами биореактора, барботажного устройства, технологическими параметрами процесса переработки животных органических отходов, внешними условиями функционирования установки и параметрами, характеризующими эффективность поддержания стабильных и равномерных температурных условий в биореакторе и потребления топлива системой.

6. В результате проведения вычислительного эксперимента на разработанной математической модели получены рациональные параметры системы перемешивания и обогрева по условиям поддержания стабильной и равномерной температуры в биореакторе и потребления топлива системой:

- коэффициент интенсивности перемешивания - 0,24;

- температура барботируемого газа - 50 °С;

- температура газовой прослойки - 50 °С.

7. Проведены экспериментальные исследования биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными не превышает 10%.

8. Чистый приведённый доход за 3 года при организации производства малых биогазовых комплексов с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева составляет 248 236 р.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Онучин Е. М. Биогазовая установка с устройством для перемешивания и каталитического обогрева субстрата / Е. М. Онучин, А. А. Медяков, Р. В. Яблонский // Альтернативная энергетика и экология. - 2010. -№11. - С. 91-94. (Из перечня ВАК) (0,43 п.л./0,25 п.л.)

2. Сидыганов Ю. Н. Результаты математического моделирования процессов теплового перемешивания при анаэробном сбраживании органических отходов / Ю. Н. Сидыганов, Е. М. Онучин, Д. В. Костромин, А. А. Медяков // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2011. - № 24. - С. 332-338. (Из перечня ВАК) (0,58 п.л./0,3 п.л.)

3. Онучин Е. М. Экспериментальный стенд для исследования процессов каталитического обогрева и перемешивания субстрата при анаэробном сбраживании / Е. М. Онучин, Д. В. Костромин, Ю. Н. Сидыганов, А. А. Медяков, Р. В. Яблонский // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2011. - № 24. - С. 348-355. (Из перечня ВАК) (0,88 п.л./0,47 пл.)

4. Сидыганов Ю. Н. Математическое моделирование процессов функционирования каталитического подогревателя при обогреве биоре-акгора анаэробного сбраживания органических отходов / Ю. Н. Сидыганов, Е. М. Онучин, Д. В. Костромин, А. А. Медяков // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2011. -№ 25. - С. 231-237. (Из перечня ВАК) (0,43 п.л./0,23 п.л.)

5. Онучин Е. М. Вычислительный эксперимент работы каталитического подогревателя при обогреве биореактора анаэробного сбраживания органических отходов / Е. М. Онучин, Д. В. Костромин, Ю. Н. Сидыганов, А. А. Медяков // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2011. - № 25. - С. 250-256. (Из перечня ВАК) (0,6 п.л./0,35 п.л.)

6. Патент на полезную модель 106138 Российская Федерация, МПК51 В01Е 15/06 (2006/01) Устройство для перемешивания субстрата с подогревом / Медяков А. А., Сидыганов Ю. Н., Онучин Е. М., Шамшуров Д. Н., Костромин Д. В., Яблонский Р. В.; заявитель и патентообладатель Марийский гос. техн. ун-т. - № 2010153209/05; заявл. 24.12.2010; опубл. 10.07.2011, Бюл. № 19. - 2 е.: ил. (0,16 п.л./0,09 пл.)

7. Патент на полезную модель 106139 Российская Федерация, МПК51 В01Г 15/06 (2006/01) Устройство для перемешивания и каталитического обогрева субстрата / Яблонский Р. В., Сидыганов Ю. Н., Онучин Е. М., Шамшуров Д. Н., Костромин Д. В., Медяков А. А.; заявитель и патентообладатель Марийский гос. техн. ун-т. -№ 2010153211/05; заявл. 24.12.2010; опубл. 10.07.2011, Бюл. № 19. -2 е.: ил. (0,19 п.л./0,1 п.л.)

8. Онучин Е. М. Биогазовая установка с устройством для перемешивания и каталитического обогрева / Е. М. Онучин, А. А. Медяков, Р. В. Яблонский // Россия в глобальном мире: вызовы и перспективы развития. Четырнадцатые Вавиловские чтения: матер. Всерос. междисцип. науч. конф. с междунар. участием. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - 4.2. - С. 307-308. (0,1 п.л./0,05 п.л.)

9. Онучин Е. М. Применение нетрадиционных перемешивающих и обогревающих устройств в биогазовых установках / К. Д. Семенов, Е. М. Онучин, А. А. Медяков, Р. В. Яблонский // матер. Всерос. студ. науч.-практ. конф. «Инновационные технологии при решении инженерных задач». - Ульяновск: ГСХА, 2011. - С. 191-194. (0,17п.л./0,09п.л.)

10. Онучин Е. М. Биогазовая установка с тепловым барботажным перемешиванием / Е. М. Онучин, Д. Н. Шамшуров, Д. В. Костромин, Р. В. Яблонский, А. А. Медяков // Вузовская наука - региону: матер. 9-й Всерос. научно-технич. конф. - Вологда: ВоГГУ, 2011. - С. 124-125. (0,24п.л./0,12 пл.)

11. Онучин Е. М. Экспериментальный комплекс для исследования устройств для каталитического обогрева и перемешивания субстрата / Е. М. Онучин, Д. Н. Шамшуров, Д. В. Костромин, Р. В. Яблонский, А. А. Медяков // Вузовская наука - региону: матер. 9-й Всерос. научно-технич. конф. - Вологда: ВоГТУ, 2011. - С. 126-128. (0,24 п.л./0,12 п.л.)

12. Медяков А. А. Конструктивна проработка каталитического подогревателя барботажных сред / А. А. Медяков, Е. М. Онучин // Научному прогрессу - творчество молодых: матер, междунар. молод., научн. конф. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 38-39. (0,1 п.л./0,05 п.л.)

13. Медяков А. А. Трехмерное моделирование при создании новых технических систем для анаэробной переработки органических отходов / А. А. Медяков, Е. М. Онучин // Научному прогрессу - творчество молодых: матер, междунар. молод, научн. конф. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 40-41. (0,1 п.л./0,05 п.л.)

14. Семенов К. Д. Мобильная установка анаэробной переработки отходов / К. Д. Семенов, Е. М. Онучин, А. А. Медяков, Р. В. Яблонский // Научному прогрессу - творчество молодых: матер, междунар. молод, научн. конф. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 58-59. (0,05 п.л. /0,01 п.л.)

15. Семенов К. Д. Применение систем бескомпрессорного барботирования в установках для анаэробной переработки отходов / К. Д. Семенов, Е. М. Онучин, А. А. Медяков, Р. В. Яблонский // Научному прогрессу - творчество молодых: матер, междунар. молод, научн. конф. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 60-61. (0,08 п.л./0,02 п.л.)

16. Медяков А. А. Математическое моделирование теплового перемешивания / А. А. Медяков, Ю. Н. Сидыганов, Е. М. Онучин, Р. В. Яблонский // Исследования, технологии, инновации: сб. статей ППС по итогам научно-технич. конф. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. -С. 154-156. (0,17 П.Л./0.09 п.л.)

17. Медяков А. А. Моделирование теплового барботирования с помощью метода конечных элементов / А. А. Медяков, Ю. Н. Сидыганов, Е. М. Онучин, Р. В. Яблонский // Исследования, технологии, инновации: сб. статей ППС по итогам научно-технич. конф. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 157-160. (0,15 п.л./0,08 п.л.)

18. Медяков А. А. Разработка экспериментальной установки для каталитического обогрева и перемешивания субстрата в биогазовых установках / А. А. Медяков, Ю. Н. Сидыганов, Е. М. Онучин, Д. В. Костромин, Р. В. Яблонский // Исследования, технологии, инновации: сб. статей ППС по итогам научно-технич. конф. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 161-163. (0,15 п.л./0,08 п.л.)

Подписано в печать 20.03.2012. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 4811. Редакционно-издательский центр Марийского государственного технического университета 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

Марийский государственный технический университет

61 12-5/2371

На правах рукописи

Медяков Андрей Андреевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ МАЛЫХ БИОРЕАКТОРОВ ДЛЯ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА

Специальность 05.20.01 - «Технологии и средства механизации

сельского хозяйства»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д-р техн. наук, проф. Ю.Н.Сидыганов

Йошкар-Ола - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..............................................................................................................................4

1. Состояние вопроса и задачи исследования.................................................9

1.1. Анализ существующих систем для анаэробной переработки органических отходов........................................................................................9

1.2. Исследования в области каталитических устройств сжигания .............................................................................................................................30

1.3. Исследования в области полного каталитического окисления составляющих биогаза 38

1.4. Теория проектирования и методы исследования устройств барботажного перемешивания и обогрева биореакторов 50

1.5. Выводы и задачи исследования....................................................................64

2. Разработка и исследование системы каталитического обогрева биореакторов.................................................................................................66

2.1. Схемно-конструктивные решения системы каталитического обогрева биореакторов 66

2.2. Формирование структуры катализатора 71

2.3. Исследование структуры катализатора 76

2.4. Математическое моделирование процесса функционирования системы каталитического обогрева биореакторов 83

2.4.1 Описание математической модели процесса функционирования системы каталитического обогрева биореакторов......................................................................................................................83

2.5. Выводы.....................................................................................................................93

3. Теоретические исследования процессов барботажного перемешивания нагретым газом 95

3.1. Общие подходы к математическому моделированию процессов перемешивания нагретым газом 95

3.2. Общее описание математической модели 97

3.3. Моделирование процессов теплопередачи 104

3.4. Моделирование состояния барботируемого нагретого газа............118

3.5. Моделирование процессов массопереноса..............................................123

3.6. Выводы.....................................................................................................................131

4. Вычислительный эксперимент на математической модели малого биореактора с системой барботажного перемешивания

и каталитического обогрева.....................................................................................132

4.1. Описание математической модели..............................................................132

4.2. План вычислительного эксперимента на математической модели......................................................................................................................134

4.3. Анализ результатов............................................................................................143

4.4. Выводы.....................................................................................................................153

5. Экспериментальные исследования малого биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева..........................................................................................................................155

5.1. Условия и задачи экспериментальных исследований.........................155

5.2. Обоснование критериев подобия.................................................................155

5.3. Описание экспериментальной установки.................................................160

5.4. Анализ результатов.............................................................................................168

5.5. Выводы.....................................................................................................................173

6. Оценка экономической эффективности.......................................................174

6.1. Описание показателей эффективности системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева малых биореакторов..........................................................................................................174

6.2. Оценка экономической эффективности инвестиционного проекта.....................................................................................................................181

Заключение........................................................................................................................185

Список литературы.......................................................................................................187

Приложения.......................................................................................................................204

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В соответствии с приказом Минсельхоза России от 24 апреля 2009 г. № 163 «Об отраслевой целевой программе ведомства в сфере молочного животноводства» была утверждена отраслевая целевая программа «Развитие пилотных семейных молочных животноводческих ферм на базе крестьянских (фермерских) хозяйств на 2009-2011 годы». Целью программы являлось создание экономических и финансовых предпосылок для развития и распространения семейных молочных животноводческих ферм на базе крестьянских (фермерских) хозяйств.

В рамках реализации программы за 2009-2010 годы освоено около 5 млрд. рублей, построено и реконструировано 311 семейных ферм и увеличено поголовье коров молочной породы на 23,4 тыс. голов. В программе участвуют хозяйства с поголовьем от нескольких десятков до 100 голов. Таким образом, в настоящее время малые семейные фермы с увеличением их количества становятся одним из источников неиспользуемых навозных стоков (количество органических отходов с одного семейного хозяйства составляет от 0,5 до 5,5 тыс. литров в сутки), что создает условия к загрязнению грунтовых вод и воздушного бассейна, а также представляет опасность биологического загрязнения патогенными микроорганизмами прилегающих территорий.

Для решения этих задач применяют технологии анаэробной переработки органических отходов, которые являются мощным инструментом для оптимизации технологических процессов на сельскохозяйственных предприятиях. Установки для анаэробной переработки позволяют утилизировать различные органические отходы, образующиеся на сельскохозяйственных предприятиях, с получением высококачественных удобрений, которые могут использоваться для восстановления плодородия земель, а также с получением альтернативного энергоносителя - биогаза.

Однако в семейных фермерских хозяйствах установки для анаэробной переработки органических отходов еще не нашли широкого распространения.

Это связано с тем, что существующие установки недостаточно эффективны ввиду высокой удельной энергоемкости (0,85 кВт/мЗ), поэтому считается недостаточно рентабельным использование малых установок с объемом переработки до 40 тонн отходов в сутки. Существующие установки ввиду высокой

о

удельной материалоемкости (110 кг/м ) требуют значительных начальных денежных затрат, что затрудняет внедрение установок в малые хозяйства. Кроме

Л Л

того недостаточная компактность установок (Зм /м ) приводит к нерациональному использованию полезных площадей малых хозяйств.

Существенного повышения потребительских свойств малых биогазовых установок можно достичь путем применения комплекса, состоящего из барбо-тажного перемешивающего устройства и каталитического устройства сжигания. Однако в настоящее время отсутствуют исследования в области комплексного использования барботажных перемешивающих устройств и каталитических устройств сжигания в биореакторах для анаэробной переработки органических отходов животноводства.

В этой связи повышение эффективности работы малых биореакторов для анаэробной переработки органических отходов животноводства за счет обоснования конструкции и параметров системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева является актуальной проблемой, представляющей научный и практический интерес.

Работа выполнена в рамках государственного контракта №16.552.11.7050 от 29.07.2011 г. Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» «Проведение центром коллективного пользования научным оборудованием «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей» научно-исследовательских работ в области экологии, биотехнологии и процессов получения экологически чистых энергоносителей» и государственного контракта № 8976Р/14048 от 19.04.2011 года Фонда содействия развитию малых форм предприятий в НТС «Проект каталитического подогревателя барботажных сред».

Цель работы: повышение эффективности работы малых биореакторов для анаэробной переработки органических отходов животноводства за счет обоснования конструкции и параметров системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева.

Объект исследования: малые биореакторы с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева для анаэробной переработки органических отходов животноводства.

Предмет исследования: особенности процесса функционирования системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева в малых биореакторах для анаэробной переработки органических отходов животноводства.

Методы исследования. В процессе исследования использованы методы математического моделирования, вычислительного эксперимента, натурного эксперимента, математического планирования и математической статистики.

Научная новизна исследований заключается в разработанных:

- схемно-конструктивных решениях системы перемешивания и обогрева, отличающихся использованием барботажного перемешивающего устройства и каталитического устройства сжигания в рамках комплекса;

- математической модели процесса функционирования системы каталитического обогрева биореактора, отличающейся учетом особенностей разработанных схемно-конструктивных решений;

- математической модели малого биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева, отличающейся учетом специфики барботажного перемешивания нагретым газом.

Новизна технических решений подтверждена 2 патентами РФ на полезную модель.

Положения, выносимые на защиту.

1. Схемно-конструктивные решения системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева малых биореакторов для анаэробной переработки органических отходов животноводства.

2. Математическая модель процесса функционирования системы каталитического обогрева биореактора, позволяющая описать особенности функционирования предложенных схемно-конструктивных решений.

3. Математическая модель функционирования малого биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева, устанавливающая взаимосвязь между конструктивными параметрами биореактора, барботажного устройства, технологическими параметрами процесса переработки животных органических отходов, внешними условиями функционирования установки и параметрами, характеризующими эффективность поддержания стабильных и равномерных температурных условий в биореакторе и потребления топлива системой.

4. Результаты экспериментальных исследований биореактора с системой барботажного перемешивания и каталитического обогрева.

Практическая значимость. Схемно-конструктивные решения системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева, рекомендуемые для малых установок на семейных животноводческих фермах, позволяют снизить энергоемкость, материалоемкость биореакторов и сделать их более компактными.

Получены рациональные технологические параметры системы барботажного перемешивания и каталитического обогрева по условиям стабильности, равномерности поддержания температурных условий в биореакторе и потреблению топлива системой, подтвержденные результатами экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы внедрены в СПК СХА «Страда» и ООО «Волговятскмеханика», а так же в учебный процесс и используются при подготовке бакалавров по направлению 110300.62- «Агроинженерия» в курсе «Механизация животноводства».

Апробация. Результаты проведённых исследований обсуждены и одобрены на конкурсе молодежных инновационных проектов V Всероссийского фестиваля науки (Йошкар-Ола, 2010г.), Республиканском конкурсе мол одеж-

ных инновационных проектов (Йошкар-Ола, 2011), Всероссийской студенческой научно-практической конференции «Инновационные технологии при решении инженерных задач» (Ульяновск, 2011), Девятой всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда, 2011), Международной молодежной научной конференции «Научному прогрессу -творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2011), Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава «Исследования, технологии, инновации» (Йошкар-Ола, 2011), выставке «Связь. Информатика. Электронное правительство» (Йошкар-Ола, 2011), Всероссийской междисциплинарной научной конференции с международным участием «Россия в глобальном мире: вызовы и перспективы развития» (Йошкар-Ола, 2011, Диплом II степени), Всероссийском конкурсе инновационных проектов и идей научной молодежи (Москва, 2011, Диплом I степени), программе «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Йошкар-Ола, 2011 г., почетная грамота победителя программы).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 работах, включая 2 патента на полезную модель, 16 научных статей, в том числе 5 в журналах из перечня ВАК.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ существующих систем для анаэробной переработки

органических отходов

Большой вклад в развитие научных знаний о процессе анаэробной переработки органических отходов и применяемых для его организации технико-технологических системах внесли Андрюхин Т.Я., Баадер В., Григорьев B.C., Гюнтер Л.И., Дубровский В., Дурдыбаев С.Д., Евтеев В.К., Келов К.Н, Кирсанов В.В., Ковалёв A.A., Ковалёв Д.А., Ковалёв Н.Г., Коваленко В.П., Мари-ненко Е.Е., Мишуров Н.П., Панцхава Е.С., Пузанков А.Г., Цой Ю.А., Сидыга-нов Ю.Н., Костромин Д. В.ДНамшуров Д.Н. и др. [4,6, 17, 125, 18, 24, 16, 2526, 40-41, 42-43, 44-49, 50, 51, 64, 74, 96-98, 42,108-121, 108-110, 111-116].

В работах [53, 139] подробно рассмотрены разнообразные технико-технологические системы, применяющиеся в настоящее время для организации процесса анаэробной переработки органических отходов. Стоит выделить следующие основные моменты, изложенные авторами. Большинство исследовательских и промышленных установок представляет собой одинарный реактор, в котором осуществляется сложный физико-химический процесс разложения органических веществ.

Существуют различные режимы работы установок анаэробной переработки органических отходов. В проточной системе (при непрерывном или квазинепрерывном процессе) субстрат загружают в реактор непрерывно или через короткие отрезки времени (например, ежесуточно), удаляя соответствующий объем шлама (Рис. 1.1).

Объем субстрата рассчитывается в соответствии с заданными гидравлическими расчетами времени пребывания массы в реакторе и поддерживается на определенном уровне. Если обеспечивается постоянство условий производства, а именно: подача массы, концентрация сухого вещества и загрузка рабочего пространства, т.е. концентрация способного к брожению органического вещества

при загрузке, оптимальная температура брожения и равномерное перемешивание массы, то этот вид производства позволяет получить максимальный выход газа при непрерывном процессе газообразования.

Рис. 1.1 - Схема непрерывного сбраживания: 1 - газгольдер; 2 - реактор; 3 - хранилище шлама

Система с периодическим использованием реакторов характеризуется прерывистым процессом, протекающим не менее чем в двух одинаковых по размерам и формам реакторах (Рис. 1.2).

В случае ежесуточной загрузки свежего субстрата реакторы попеременно заполняются свежим сырьем для образования определенного количества шлама (так называемого затравочного шлама) и по истечению заданного срока брожения опорожняются так, что в них остается только затравочный шлам. Поскольку при постоянном количестве подаваемого в реактор сырья загрузка рабочего пространства во время процесса заполнения будет постоянно снижаться по сравнению с оптимальным значением, соответствующие исходному количеству шлама, потенциальная производительность этой системы будет использоваться не полностью. Кроме того, если учитывать наличие порожнего объема реактора во время процесса заполнения, то эта система требует большего рабочего объема, чем проточная.

1 - газгольдер; 2 - первый реактор; 3 - второй реактор; 4 - хранилище шлама

Поэтому реактор никогда не опорожняют полностью, остаток шлама служит стартовой дозой для новой порции субстрата. При непрерывной подаче свежего субстрата постоянно снижается время, отводимое для брожения. В результате этого газовый потенциал, накопившийся в реакторе массы, используется не полностью.

Жидкий

Рисунок 1 ..3 - Система с накоплением газа и шлама: 1 - реактор и хранилище; 2 - газгольдер Система с накоплением газа и шлама выполняется только с одним жидкостным реактором. Последний играет роль бродильной камеры и накапливает шлам до моме�