Строение резервуара биогазовых установокРезервуар биогазовой установки является ее основной частью и требования к нему достаточно высоки. К основным требованиям относятся: гидравлические, технологические, теплотехнические, экономические и эстетические.По форме резервуары бывают (рис. 2.1):- Яйцевидные;- Цилиндрические;- Шаровидные;- С конусом вверх; вниз, с обеих сторон;- В виде траншеи;- Кубические;- Эластичные.Оптимальными по своим гидравлическим и эксплуатационными характеристиками является яйцевидные резервуары. Далее по качеству протекания процесса идут резервуары с конусами и цилиндрические резервуары. Эти формы позволяют уменьшить гидравлическое сопротивление при перемешивании субстрата, избежать застойных зон, из-за отсутствия углов, локализовать места сбора шлама и биогаза. Основным материалом для производства резервуаров является бетон и полимерные материалы.По конструктивным особенностям биогазовые установки делятся на одно-и багатореакторни. Багатореакторни установки позволяют достичь непрерывного цикла брожения и имеют большую производительность, что позволяет обеспечить потребности большого хозяйства биогазом.Простейшие по своему исполнению цилиндрические, кубические и шарообразные резервуары производят из старых металлических бочек, цистерн и других емкостей, используемых в промышленности.Биогазовый реактор - основа любой биогазовой установки, поэтому в его конструкции предъявляются достаточно жесткие требования. Корпус биогазового реактора должен быть достаточно прочен при абсолютной герметичности его стенок. Обязательными являются надежная теплоизоляция стенок и их свойство противостоять коррозии. При этом необходимо предусмотреть возможность загрузки и выгрузки реактора, а также доступ к его внутреннему пространству для обслуживания . Принцип работы всех биогазовых установок одинаков: после сбора и подготовки сырья, которая заключается в доведении ее до необходимой влажности в специальной емкости, она подается в реактор, в котором создаются условия для оптимизации процесса анаэробного брожения .Практически достижимый в промышленной установке выход газа зависит от многих факторов, влияние которых определяется конструкцией установки и производственными условиями. Существенное значение влияния конструктивных параметров имеют такие факторы Загрузка рабочего пространства (количество загруженного субстрата, приходящаяся на единицу чистого объема реактора, а также производительность его загрузки);- Технологическое время цикла анаэробного брожения (время пребывания в реакторе органической массы, которая в него заложена)- Интенсивность перемешивания субстрата в объеме реактора.Большую производительность имеют багатореакторни установки, в которых обеспечивается непрерывный цикл анаэробного брожения.Классификация биогазовых реакторов по конструктивным признакам приведена на рис. 2.1.Формы реакторов разнообразны. С точки зрения создания наиболее благоприятных условий для перемешивания жидкого субстрата, накопление газа, удаление отработанных удобрений и разрушения корки, образующейся на поверхности, целесообразно использовать резервуар, который по форме напоминает яйцо (рис. 2.2). Крупные реакторы такой формы обычно сооружают из бетона, поэтому для них характерна высокая стоимость изготовления, что существенно ограничивает их применение. Однако реакторы меньших объемов совсем несложно выполнить из стеклопластика, т.е. с армированной полиэфирной смолы, к тому же они имеют меньшую стоимость.Для цилиндрического резервуара с конусными верхней и нижней частями, как и для яйцевидных, характерные небольшое пространство для накопления газа, ограниченный объем плавающей корки, а также удобное выгрузки отработавшего массы. Однако в подобных реакторах создаются менее благоприятные условия для перемещения жидкого субстрата. В индивидуальных хозяйствах корпус реактора вышеуказанной формы, но меньшей вместимости, изготавливают из стали или стеклопластика. В реакторах из стеклопластика создаются лучшие условия для перемещения субстрата [3].Цилиндрические резервуары относительно просты в изготовлении, что объясняется значительным опытом строительства емкостей для сельскохозяйственных целей (стальные, бетонные, стеклопластиковые цистерны-бункера для силоса и других кормов) [14]
.Рисунок 2.1 - Классификация биогазовых реакторов по конструктивным признакам.Однако по сравнению с резервуарами предыдущих форм в цилиндрическом резервуаре невозможно организовать достаточные условия для перемещения субстрата в установке, а потому при этом приходится учитывать высокие затраты на удаление осадка и разрушение плавающей корки, что связано с увеличением затрат энергии на перемешивание биомассы.В простых, в частности в небольших биогазовых установках, сооружаемых собственными силами, бродильная камера имеет форму параллелепипеда (бассейн или яма с крышкой). Для повышения эффективности такой реактор перегораживают вертикальной стенкой, создавая главную бродильную камеру и камеру для окончательного сбраживания и осаждения шлама. Однако установки такого типа не позволяют достичь высокой степени разложения субстрата, поскольку в них практически невозможно обеспечить равномерное перемешивание биомассы, управление загрузкой рабочего объема камеры и соблюдение времени пребывания массы в реакторе, что необходимо для получения максимального количества газа. Разрушение плавающей корки и осадка связано со значительными затратами.
].Рисунок 2.2 - Наиболее распространенные типы резервуаров биогазовых реакторов: а - в виде яйца, б - цилиндрический с конусными верхней и нижней частями, в - цилиндрический, г - цилиндрический с перегородкой, д - в виде параллелепипеда (с перегородкой), е - цилиндрический (размещен с наклоном), ж - траншея в грунте (с крышкой).На рисунке 2.3 изображена типичная конструкция биореактора, который используется в Украине и других странах.
Рисунок 2.3 - Типовая конструкция биореактора: 1 - корпус, 2 - направляющие колпака, 3 - колпак, 4 - газоотводная трубка, 5 - манометр, 6 - гидрозатвора, 7 - нагревательный элемент, 8 - субстрат, 9 - мешалка.
Если резервуар цилиндрической формы разделить поперечной вертикальной перегородкой на две камеры, можно организовать систему получения биогаза с поочередным использованием камер резервуара (рис. 2.4). Строительство резервуара с перегородкой будет дешевле, чем сооружение двух отдельных резервуаров. При такой компоновке уменьшается значение теплоизоляции наружных стенок резервуара, а в перегородку, которая изготовлена из достаточно теплопроводного материала, несложно встроить любой нагревательный устройство, которое окажет установке конструктивные преимущества.В горизонтально расположенном резервуаре субстрат перемешивается в продольном направлении. Для небольших установок применяются цилиндрические реакторы из стали или стеклопластика. Горизонтальные резервуары большой емкости, изготовленные из бетона, имеющие форму параллелепипеда.Наклонное расположение таких резервуаров облегчает отток отработанной массы к выгрузного отверстия. Такая конструкция удобна для размещения простого перемешивающими механизма.
Рисунок 2.4 - Двухкамерная биогазовая установка проточного типа: 1 - насос, 2 - приемная камера, 3 - бродильная камера, 4 - устройство для перемешивания, 5 - пидиргивач биомассы, 6 - камера окончательного сбраживания, 7 - сборник сброженной массы, 8 - шнек Резервуар в виде вырытой в грунте траншеи позволяет обрабатывать большое количество субстрата. Как строительный материал для стенок реактора используют, как правило, бетон. Значительное распространение получили траншейные биогазовые установки (рис. 2.5).Из помещения, где содержат скот, навоз, разбавленный водой, поступающей в биогазовый реактор, в котором происходит брожение. В установке предусмотрены механическое перемешивание субстрата и грейфер для выгрузки сброженного навоза
.Рисунок 2.5 - Траншейная биогазовая установка: 1 - эластичный сборник биогаза, 2 - плиты из пенопласта 3 - бродильная камера, 4 - нагреватель (бойлер)Особое внимание привлекают эластичные реакторы (рис. 2.6), которые широко используются в странах Юго-Восточной Азии.
Рисунок 2.6 - Эластичный биогазовый реакторПодобные реакторы (емкости) изготавливают из прочной прорезиненной ткани или из синтетической пленки. Для организации работы таких биогазовых реакторов их приходится либо заглублять в грунт, или размещать внутри достаточно прочного ограждения [4].Необходимыми условиями для переработки органических отходов внутри реактора биогазовой установки является [3, 4, 5]· Создание бескислородного режима;· Соблюдение температурного режима;· Доступность питательных веществ для бактерий;· Выбор оптимального времени брожения и своевременное загрузки и выгрузки сырья;· Соблюдение кислотно-щелочного баланса;· Соблюдение соотношения содержания углерода и азота;· Правильная пропорция твердых частиц в сырье и перемешивания;· Отсутствие ингибиторов процесса.Классификация факторов оптимизации направлений процесса анаэробного брожения приведены на рис. 2.7. Рисунок 2.7 - Классификация факторов оптимизации направлений процесса анаэробного броженияБиогазовая установка, хорошо функционирует, приносит ряд преимуществ своему владельцу, обществу и окружающей среде в целом. Среди них:- Возможность экономить средства, ранее тратились на топливо и электроэнергию;- Экономия средств, расходуемых на покупку удобрений и гербицидов;возможность получения дополнительных средств:- Продажа биогаза и биотоплива;- Дополнительные средства при повышении урожайности сельскохозяйственных культур за счет применения биоудобрений;- Дополнительные средства при разведении скота и птицы за счет кормовых добавок из переработанного сырья;быстрая окупаемость установок:- Биогазовая установка с подогревом сырья любой мощности окупается примерно за год эксплуатации;- Уменьшается риск респираторных и глазных заболеваний за счет очистки воздуха в результате уменьшения количества органических отходов в местах их складирования;- Улучшается эпидемиологическая обстановка из-за гибели части микроорганизмов, содержащихся в отходах;- Улучшается состояние здоровья за счет получения экологически чистой сельскохозяйственной продукции при использовании экологически чистых удобрений;экономия времени, места и производственных мощностей:- Экономия времени, затрачиваемого на сбор, транспортировку, сушки топлива и места, которое оно занимает;- Экономия времени при использовании биоудобрений, затрачиваемое на прополку сорняков, который вносится с обычным навозом, поскольку его семена погибает во время процесса брожения в реакторе биогазовой установки;экологическая выгодность:- Уменьшение выбросов метана в атмосферу (парникового газа), образующегося при хранении навоза под открытым небом;- Уменьшение выбросов углекислого газа и продуктов сгорания угля, дров и других видов топлива;- Уменьшение загрязнения воздуха азотистыми соединениями, имеющие неприятный запах;- Уменьшение загрязнения водных ресурсов гнойными стоками;- Сохранение лесов от вырубки;- Уменьшение использования химических удобрений.На интенсивность процесса сбраживания и, как следствие, образование биогаза влияют четыре группы факторов:1. Биологические;2. Физические;3. Химические;4. Организационно-технологические.К биологическим факторам относятся:- Состав сброженных биомассы (содержание белков, жиров, углеводов, лигнина)- Состав микрофлоры (количество и группы микроорганизмов соответствующей стадии разложения);- Условия жизнедеятельности микроорганизмов (содержание вредных примесей).Физические факторы включают:- Температуру сбраживания;- Давление в биогазовой установке;- Гидравлический режим.Химические факторы определяются:- Кислотностью среды (величина рН);- Содержанием ЛЖК в сбраживаемые массе;- Объемом и составом биогаза, образующегося. Организационно-технологические факторы включают:- Дозу суточной загрузки новых порций сброженных массы;- Нагрузка по беззольных веществ;- Содержание в биомассе веществ, которые не поддаются переработке.Авторами предложена конструкция реактора с цилиндрическим резервуаром и конусами доверху и вниз [6]. Конструкция биореактора с прослойкой между утепленным корпусом и рабочим резервуаром (рис. 2.8) позволяет повысить термическое сопротивление стенки резервуара без дополнительных капиталовложений на изоляционный материал.Преимуществом также является улучшение процесса брожения путем утилизации теплоты только производимого биогаза на подогрев биомассы в зимних условиях. Также мижкорпусний пространство выполняет роль газгольдера, в котором происходит временное хранение произведенного биогаза. В результате достигается и улучшение процесса анаэробного брожения, что приводит к увеличению выхода биогаза и снижение энергозатрат.Реактор (рис. 2.8) содержит утепленный корпус 1. К корпусу с помощью верхней 4 и нижней 2 опорных газораспределительных решеток крепится рабочий резервуар 3. В верхней части рабочего резервуара 3 закреплено газопровод 5. Газопровод 5 соединяет низ утепленного корпуса и верх рабочего резервуара 3. В нижней части рабочего резервуара 3 размещена нагревательный элемент 6 и мешалку 8. В верхней части утепленного корпуса размещены патрубок отвода биогаза 7, подключен к резервуара накопления.
Рисунок 2.8 - Биогазовый реактор с утепленным корпусом.Процесс выработки биогаза протекает следующим образом. В холодный период года в реакторах дискретного типа происходит загрузка холодной порции биомассы, которая имеет довольно низкую температуру и приводит к термическому расслоение среды. Нижняя зона становится холодной, а верхняя - перегревается. Газ при выходе из рабочего резервуара 3 имеет температуру процесса tгазу, которая согласно требованиям должна быть в пределах выбранного режима. Эта избыточная температура превышает температуру окружающей среды tзов.Температура среды в рабочем резервуаре 3 неравномерна и ее необходимо поддерживать на заданном технологическом уровне. Для достижения границ температурных режимов служит нагревательный элемент 6, а для качественного перемешивания - мешалка 8. Температура смеси колеблется в объеме неравномерно: от перегрева вокруг нагревательного элемента tнагрив в верхней зоне до недопустимого переохлаждения в нижней зоне.Биогаз с помощью газопровода 5 направляется в нижнюю зону, где распределяется мижкорпусному пространстве с помощью опорных газораспределительных решеток 2 и 4 и равномерно обтекает внутреннюю часть рабочего резервуара. При этом он отдает свое тепло нижней холодной части среды путем теплопроводности через металлическую стенку. При перегреве полученный биогаз занимает избыточное тепло из верхней зоны.При этом достигается термостабилизация всего процесса, что улучшает процесс брожения и увеличивает выход газа. Также газ выполняет роль дополнительного теплоизолятора. Биогаз выводится мижкорпусного пространства с помощью патрубка отвода газа 7. Мижкорпусний пространство выступает как газгольдер для временного хранения газа.При накоплении биогаза в жкорпусному пространстве при необходимости происходит его отбор на нужды хозяйства. Для предотвращения критических режимов в верхней части устанавливают манометр с предохранительным клапаном и термометр.