Экспериментальные исследования процесса получения биогаза в барботажных биореакторах
Д.
Ю. СусловБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Суслов
Д.
Ю. Экспериментальные исследования процесса получения биогаза в барботажных биореакторах // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2013. – Т. 3. – С.
1471–1475. – URL:
http://e-koncept.ru/2013/53297.htm.
Аннотация. Работа посвящена проведению экспериментальных исследований процесса получения биогаза в барботажных биореакторах. Для проведения экспериментальных исследований процесса анаэробной ферментации органических отходов с получением органических удобрений и биогаза разработана и создана экспериментальная установка. В результате экспериментов исследовано влияние варьируемых факторов на выход биогаза при барботажном перемешивании биомассы и определены их рациональные параметры.
Текст статьи
Суслов Денис Юрьевич,старший преподавателькафедры теплогазоснабжения и вентиляцииФГБОУ ВПО ©Белгородский государственный технологический университетим. В.Г. Шуховаª, г. Белгородsuslov1687@mail.ru
Экспериментальные исследования процесса получения биогаза вбарботажных биореакторах
Аннотация.Работапосвящена проведениюэкспериментальных исследованийпроцесса получения биогаза в барботажных биореакторах. Для проведения экспериментальных исследований процесса анаэробнойферментацииорганических отходов с получением органических удобрений и биогаза разработана и создана экспериментальная установка.В результате экспериментов исследовано влияние варьируемых факторов на выход биогаза при барботажном перемешивании биомассыи определены их рациональные параметры.Ключевые словабиогаз, биореактор, экспериментальные исследования
ВРоссийской Федерации принят и успешно реализуется национальный проект ©Развитие агропромышленного комплексаª, в связи, с чем возникла экологическая проблема утилизации органических отходов сельскохозяйственных предприятий[1].В настоящее время навозные стоки животноводческих и птицеводческих предприятий практически не перерабатываются, а складируются возле комплексов, что ведет к загрязнению почвы, водного и воздушного бассейнов.Одним из эффективныхметодов утилизации органических отходов являются биогазовые технологии, основанные на биологической переработкеорганических веществв анаэробных условиях. Применение биогазовых установокпозволяет снизить негативное воздействие на окружающую среду путем обеззараживания навозных стоков, а также улучшить энергетический баланс сельскохозяйственных предприятий за счет использования получаемого биогаза.Биогазовая установка представляет собой емкость, в которой при определенныхусловияхпроисходит сбраживание органического субстрата, с образованием биогаза и биоудобрений.Основным компонентомбиогазовой установки является биореактор, в котором непосредственно протекает процессферментации, так же установкавключает устройства очистки, сбора ихранения биогаза,системы подогрева и перемешивания биомассы, средства автоматики и КИП[2].Для проведенияэкспериментальных исследований разработана и изготовлена экспериментальная установка получения биогаза оснащенная системой перемешивания барботажного типа для определения её рациональных конструктивнотехнологических параметров и исследования процесса получения биогаза. Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 1., а на рис. 2. представлена её схема.Экспериментальная установка включаетбиореактор 3, водяной фильтр 14, счетчик газовый 15, газгольдер 16 и источник энергии 10.
Рис. 1 Общий вид экспериментальной установки получения биогаза.
Рис. 2 Схема установки.1 патрубок загрузки исходного субстрата; 2 патрубок слива биомассы; 3 биореактор;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 водяной фильтр; 15 счетчик газовый; 16 газгольдер.
Биореактор представляет собой вертикально расположенную цилиндрическую емкость диаметром D=500 мм и высотой h=700 мм. Биореактор содержит следующие элементы патрубок загрузки исходного субстрата 1, патрубок слива биомассы 2, патрубок выхода биогаза 7, манометр 8, патрубок для термометра и датчика температуры 16, барботажный трубопровод 4 и система отопления. Система отопления состоит из нагревательного кабеля длиною 17 м и мощностью 250 Вт, расположенного на наружной стенки биореактора, электронного программируемого регулятора температуры 5 и датчика температуры, помещенного в патрубок 16. Барботажная система перемешивания состоит из барботажной трубы 4, трубопровода подвода газа на перемешивание 13 и источника энергии 10.Барботажная труба 4 располагается в нижней части биореактора и выполнена в виде вертикальной спирали, витки которой образуют конус, обращенный основанием вниз. К барботажной трубе присоединяется подводящий трубопровод, черезкоторый поступает газ от источника. В связи с малым объемом биореактора (0,196 м3), в качестве источника приняли баллон со сжиженным (пропанбутан) газом 10. Баллон оснащен вентилем 11 и редуктором 12 с манометром 8 для снижения давления до требуемых параметров.Принцип работы установки следующий. В биореактор через патрубок загрузки подается перерабатываемая биомасса, после заполнения реактор герметично закрывается. С помощью системы отопления биомассу нагревают до требуемой температуры и поддерживают на заданном уровне. В результате анаэробной ферментации бродильной массы выделяется биогаз, который собирается в верхней части биореактора. По мере накопления биогаз по соединительным трубопроводам проходя через водный фильтр и счетчик поступает в газгольдер.Динамика процесса получения биогаза представлена на рис.3 а)
б)
Рис. 3 Динамика процесса получения биогаза в биореактореа вид сверху, б узел А1 корпус биореактора; 2 биомасса; 3 патрубок загрузки исходного субстрата; 4 пузыри биогаза.12324АСистема перемешивания работает следующим образом. С помощью редуктора 12 настраивается требуемое давление, которое фиксируется на манометре 8. Пуск системы осуществляется открытием крана 9, расположенного в нижней части биореактора. Газ из баллона 10 поступает по подводящему трубопроводу 13 в барботажную трубу 4, откуда выходит через равномерно расположенные отверстия. Пузырьки и струйки газа, выходя из отверстий, проходят через всю толщу бродильной массы интенсивно перемешивают ее.Для проведения опытов в качестве исходного субстрата использовался свиной навоз из свиноводческого комплекса в с. Троицк Губкинского района Белгородской области.На данной установке производились следующие замеры влажность исходного субстрата и бродильной массы; температура среды в реакторе; объемный выход получаемого биогаза; расход биогаза на барботажное перемешивание; давление газа в биореакторе и газгольдере.Учитывая сложность исследуемого объекта и большое количество исследуемых факторов, в качестве основного плана эксперимента выбран центральный композиционный ортогональный план (ЦКОП 241) дробного факторного эксперимента (ДФЭ)[3].Значения уровней факторов в условном масштабе устанавливаются следующие максимальный +1, средний 0 минимальный 1 и звездные точки +1,41,1,41.За параметр оптимизации примем Qудудельный выход биогаза. В качестве основных факторов, влияющих на функцию отклика выбраны X1влажность биомассы в биореакторе, W(%);X2частота перемешивания биомассы, η(сут1);X3 температура биомассы в биореакторе, T (С); X4 продолжительность брожения, τ (сут).Результаты многофакторного эксперимента функции Qуд= f(W, , T, )представлены в виде уравнения регрессии в кодированном видеQуд=234,69+43,62X1+65,6X221,21X2232,29X316,93X32+43,26X4+34,26X1X2+84,85X1X4++15,87X2X47,5X3X4. (4.2)По уравнению регрессии были построены графические зависимости влияния варьируемых факторов на функцию отклика.Проанализировав графики (рис. 4) можно сделать вывод, что при увеличении влажности бродильной массы объемный выход биогаза повышается. 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. 4. Графическая зависимостьQуд= f(W,T)
Рис. 5. Графическая зависимость Qуд= f(,T)
Увеличение частоты перемешивания бродильной массы до 5 сут 1ведет к увеличению выхода биогаза. Из графиков видно (рис. 5), что дальнейшее увеличение частоты перемешивания практически не повлияет на выход биогаза, при этом затраты энергии будут повышаться.
Рис. 6.ГрафическаязависимостьQуд= f(,T)
При увеличении температуры с 33,5°С до 34,5°С выход биогаза повышается, дальнейшее увеличение температуры до 40,5°С ведет к снижению выхода биогаза. Это объясняется тем, что оптимальным значением мезофильного температурного режима являетсятемпература 35 °С.Увеличение продолжительности процесса брожения с 23 до 30 суток ведет к повышению выхода биогаза на 30 %, при дальнейшем повышении продолжительности процесса до 35 суток выход биогаза повышается на 14 %, а до 37 суток на 4 % (рис.6). Таким образом, оптимальным временем процесса получения биогаза в мезофильном температурном режиме является диапазон 3035 суток.В результате проведения экспериментов исследовано влияние варьируемых факторов на выход биогаза при барботажном перемешивании биомассы. Получено математическое выражение в виде уравнения регрессии Qуд= f(W, , T, ), дана оценка влияния исследуемых факторов на параметр оптимизации. Также были установлены рациональные области значений варьируемых факторов длябиореактора, оснащенного системой перемешивания барботажного типа. Наиболее рациональный режим работы достигается при влажности биомассы 92…93 %, частоте перемешивания3…5 сут1, температуре биомассы33,5…34,5°С,и продолжительности процесса брожения 30…35 суток.,и соответствует значению удельного выхода биогаза Qуд= 417,53 л/кг абсолютно органического вещества.
Ссылки на источники1.Официальный интернетпортал Министерства сельского хозяйства Российской Федерации // www.mcx.ru2. Эдер Б. Биогазовые установки, практическое пособие / Б.Эдер, Х. Шульц. 1996. Перевод с немецкого ZorgBiogasв 2008 г.3. Хикс И. Основные принципы планирования эксперимента. М.Мир, 1967 406 с.
Экспериментальные исследования процесса получения биогаза вбарботажных биореакторах
Аннотация.Работапосвящена проведениюэкспериментальных исследованийпроцесса получения биогаза в барботажных биореакторах. Для проведения экспериментальных исследований процесса анаэробнойферментацииорганических отходов с получением органических удобрений и биогаза разработана и создана экспериментальная установка.В результате экспериментов исследовано влияние варьируемых факторов на выход биогаза при барботажном перемешивании биомассыи определены их рациональные параметры.Ключевые словабиогаз, биореактор, экспериментальные исследования
ВРоссийской Федерации принят и успешно реализуется национальный проект ©Развитие агропромышленного комплексаª, в связи, с чем возникла экологическая проблема утилизации органических отходов сельскохозяйственных предприятий[1].В настоящее время навозные стоки животноводческих и птицеводческих предприятий практически не перерабатываются, а складируются возле комплексов, что ведет к загрязнению почвы, водного и воздушного бассейнов.Одним из эффективныхметодов утилизации органических отходов являются биогазовые технологии, основанные на биологической переработкеорганических веществв анаэробных условиях. Применение биогазовых установокпозволяет снизить негативное воздействие на окружающую среду путем обеззараживания навозных стоков, а также улучшить энергетический баланс сельскохозяйственных предприятий за счет использования получаемого биогаза.Биогазовая установка представляет собой емкость, в которой при определенныхусловияхпроисходит сбраживание органического субстрата, с образованием биогаза и биоудобрений.Основным компонентомбиогазовой установки является биореактор, в котором непосредственно протекает процессферментации, так же установкавключает устройства очистки, сбора ихранения биогаза,системы подогрева и перемешивания биомассы, средства автоматики и КИП[2].Для проведенияэкспериментальных исследований разработана и изготовлена экспериментальная установка получения биогаза оснащенная системой перемешивания барботажного типа для определения её рациональных конструктивнотехнологических параметров и исследования процесса получения биогаза. Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 1., а на рис. 2. представлена её схема.Экспериментальная установка включаетбиореактор 3, водяной фильтр 14, счетчик газовый 15, газгольдер 16 и источник энергии 10.
Рис. 1 Общий вид экспериментальной установки получения биогаза.
Рис. 2 Схема установки.1 патрубок загрузки исходного субстрата; 2 патрубок слива биомассы; 3 биореактор;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 водяной фильтр; 15 счетчик газовый; 16 газгольдер.
Биореактор представляет собой вертикально расположенную цилиндрическую емкость диаметром D=500 мм и высотой h=700 мм. Биореактор содержит следующие элементы патрубок загрузки исходного субстрата 1, патрубок слива биомассы 2, патрубок выхода биогаза 7, манометр 8, патрубок для термометра и датчика температуры 16, барботажный трубопровод 4 и система отопления. Система отопления состоит из нагревательного кабеля длиною 17 м и мощностью 250 Вт, расположенного на наружной стенки биореактора, электронного программируемого регулятора температуры 5 и датчика температуры, помещенного в патрубок 16. Барботажная система перемешивания состоит из барботажной трубы 4, трубопровода подвода газа на перемешивание 13 и источника энергии 10.Барботажная труба 4 располагается в нижней части биореактора и выполнена в виде вертикальной спирали, витки которой образуют конус, обращенный основанием вниз. К барботажной трубе присоединяется подводящий трубопровод, черезкоторый поступает газ от источника. В связи с малым объемом биореактора (0,196 м3), в качестве источника приняли баллон со сжиженным (пропанбутан) газом 10. Баллон оснащен вентилем 11 и редуктором 12 с манометром 8 для снижения давления до требуемых параметров.Принцип работы установки следующий. В биореактор через патрубок загрузки подается перерабатываемая биомасса, после заполнения реактор герметично закрывается. С помощью системы отопления биомассу нагревают до требуемой температуры и поддерживают на заданном уровне. В результате анаэробной ферментации бродильной массы выделяется биогаз, который собирается в верхней части биореактора. По мере накопления биогаз по соединительным трубопроводам проходя через водный фильтр и счетчик поступает в газгольдер.Динамика процесса получения биогаза представлена на рис.3 а)
б)
Рис. 3 Динамика процесса получения биогаза в биореактореа вид сверху, б узел А1 корпус биореактора; 2 биомасса; 3 патрубок загрузки исходного субстрата; 4 пузыри биогаза.12324АСистема перемешивания работает следующим образом. С помощью редуктора 12 настраивается требуемое давление, которое фиксируется на манометре 8. Пуск системы осуществляется открытием крана 9, расположенного в нижней части биореактора. Газ из баллона 10 поступает по подводящему трубопроводу 13 в барботажную трубу 4, откуда выходит через равномерно расположенные отверстия. Пузырьки и струйки газа, выходя из отверстий, проходят через всю толщу бродильной массы интенсивно перемешивают ее.Для проведения опытов в качестве исходного субстрата использовался свиной навоз из свиноводческого комплекса в с. Троицк Губкинского района Белгородской области.На данной установке производились следующие замеры влажность исходного субстрата и бродильной массы; температура среды в реакторе; объемный выход получаемого биогаза; расход биогаза на барботажное перемешивание; давление газа в биореакторе и газгольдере.Учитывая сложность исследуемого объекта и большое количество исследуемых факторов, в качестве основного плана эксперимента выбран центральный композиционный ортогональный план (ЦКОП 241) дробного факторного эксперимента (ДФЭ)[3].Значения уровней факторов в условном масштабе устанавливаются следующие максимальный +1, средний 0 минимальный 1 и звездные точки +1,41,1,41.За параметр оптимизации примем Qудудельный выход биогаза. В качестве основных факторов, влияющих на функцию отклика выбраны X1влажность биомассы в биореакторе, W(%);X2частота перемешивания биомассы, η(сут1);X3 температура биомассы в биореакторе, T (С); X4 продолжительность брожения, τ (сут).Результаты многофакторного эксперимента функции Qуд= f(W, , T, )представлены в виде уравнения регрессии в кодированном видеQуд=234,69+43,62X1+65,6X221,21X2232,29X316,93X32+43,26X4+34,26X1X2+84,85X1X4++15,87X2X47,5X3X4. (4.2)По уравнению регрессии были построены графические зависимости влияния варьируемых факторов на функцию отклика.Проанализировав графики (рис. 4) можно сделать вывод, что при увеличении влажности бродильной массы объемный выход биогаза повышается. 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. 4. Графическая зависимостьQуд= f(W,T)
Рис. 5. Графическая зависимость Qуд= f(,T)
Увеличение частоты перемешивания бродильной массы до 5 сут 1ведет к увеличению выхода биогаза. Из графиков видно (рис. 5), что дальнейшее увеличение частоты перемешивания практически не повлияет на выход биогаза, при этом затраты энергии будут повышаться.
Рис. 6.ГрафическаязависимостьQуд= f(,T)
При увеличении температуры с 33,5°С до 34,5°С выход биогаза повышается, дальнейшее увеличение температуры до 40,5°С ведет к снижению выхода биогаза. Это объясняется тем, что оптимальным значением мезофильного температурного режима являетсятемпература 35 °С.Увеличение продолжительности процесса брожения с 23 до 30 суток ведет к повышению выхода биогаза на 30 %, при дальнейшем повышении продолжительности процесса до 35 суток выход биогаза повышается на 14 %, а до 37 суток на 4 % (рис.6). Таким образом, оптимальным временем процесса получения биогаза в мезофильном температурном режиме является диапазон 3035 суток.В результате проведения экспериментов исследовано влияние варьируемых факторов на выход биогаза при барботажном перемешивании биомассы. Получено математическое выражение в виде уравнения регрессии Qуд= f(W, , T, ), дана оценка влияния исследуемых факторов на параметр оптимизации. Также были установлены рациональные области значений варьируемых факторов длябиореактора, оснащенного системой перемешивания барботажного типа. Наиболее рациональный режим работы достигается при влажности биомассы 92…93 %, частоте перемешивания3…5 сут1, температуре биомассы33,5…34,5°С,и продолжительности процесса брожения 30…35 суток.,и соответствует значению удельного выхода биогаза Qуд= 417,53 л/кг абсолютно органического вещества.
Ссылки на источники1.Официальный интернетпортал Министерства сельского хозяйства Российской Федерации // www.mcx.ru2. Эдер Б. Биогазовые установки, практическое пособие / Б.Эдер, Х. Шульц. 1996. Перевод с немецкого ZorgBiogasв 2008 г.3. Хикс И. Основные принципы планирования эксперимента. М.Мир, 1967 406 с.
