Классификация биогазовых установок по конструктивным и технологическим признакам

УДК 66-931

КЛАССИФИКАЦИЯ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК ПО КОНСТРУКТИВНЫМ И

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ*

Суслов Денис Юрьевич

к.т.н., доцент кафедры Теплогазоснабжения и вентиляции Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Россия, город Белгород

Аннотация: Рассмотрены основные конструктивные и технологические особенности установок получения биогаза. Описаны режимы работы, конструкции, количество и виды биореакторов, технологии и оборудование для подогрева и перемешивания биомассы. Предложена классификация биогазовых установок, учитывающая влияние барботажного метода перемешивания на обогрев биореактора.

Ключевые слова: биогаз, биореактор, перемешивание, классификация.

CLASSIFICATION OF BIOGAS PLANTS IN CONSTRUCTIVE AND TECHNOLOGICAL FEATURES*

Denis Yu. Suslov

Docent Department of Gas Heating Supply and Ventilation Belgorod Shukhov State Technological University Belgorod, Russia

Abstract: The basic design and technological features of plants producing biogas from organic waste. Described modes of operation, the design, the number and types of bioreactors, technologies and equipment for heating and mixing of the biomass. The classification of biogas plants, taking into account the impact of the bubble mixing method for heating the bioreactor.

Keywords: biogas, bioreactor, mixing, classification.

В настоящий период разработаны биогазовые установки с различными конструктивными и технологическими особенностями. При этом, конструктивно все биогазовые установки практически не отличаются друг от друга, и представляют собой герметично закрытую емкость, в которой при определенных условиях происходит сбраживание органического субстрата с образованием биогаза и биоудобрений. Основным компонентом биогазовой установки является (рис. 1) биореактор, в котором протекает процесс анаэробной ферментации, также установка содержит газгольдер, системы подготовки и сбора субстрата, устройства подогрева и перемешивания, КИП и автоматики [1.. .3].

Рис. 1. Общая схема биогазовой установки:

1 - источник отходов; 2 - система подготовки субстрата; 3 - биореактор;

4 - система перемешивания; 5 - газгольдер; 6 - резервуар удобрения

По количеству ступеней процесса установки бывают одноступенчатыми, двухступенчатыми и многоступенчатыми. Одноступенчатые установки состоят из одного биореактора, в котором происходит полное сбраживание биомассы. В двухступенчатых системах процесс проходит в главном биореакторе брожения и в реакторе окончательного сбраживания и осаждения шлама.

Многоступенчатые системы включают различное количество основных бродильных биореакторов и реакторов дображивания.

По режиму работы можно выделить непрерывные, полунепрерывные и периодические установки [3, 4].

Установки периодического действия состоят из одного биореактора, который полностью загружается исходным субстратом, а затем после определенного времени процесса полностью опорожняется. В установках полунепрерывного режима процесс получения биогаза протекает в двух и более биореакторах, которые работают по очереди.

При непрерывном режиме субстрат подается в биореактор непрерывно или через короткие промежутки времени, при этом соответствующий объем перебродившего субстрата удаляется. Установки, работающие в непрерывном режиме, отличаются стабильностью и высокой производительностью по сравнению с другими режимами.

По положению биореакторы бывают вертикального горизонтального и наклонного расположения. Выбор расположения реактора зависит от режима работы и наличия свободной территории. Горизонтальные установки больше используют в непрерывных системах и при наличии достаточного места для их расположения. Наклонное расположение облегчает стекание перебродившей массы по направлению к патрубку слива готового удобрения. Но наиболее широко применяются вертикальные биореакторы, позволяющие уменьшить занимаемую территорию.

В биогазовых установках используют биореакторы овальной, цилиндрической и кубической формы (рис. 2). Биореакторы овальной формы изготавливают небольших объемов, в качестве материала используют стеклопластик, т.к. применение других материалов весьма проблематично ввиду сложности изготовления и высокой стоимости. В таких реакторах создаются условия для перемещения жидкого субстрата, отвода осадков и разрушения плавающей корки при достаточно высокой прочности.

Рис. 2. Формы биореакторов:

а - овальный; б - цилиндрический-конусный; в - цилиндрический;

г - кубический

По сравнению с овальными, цилиндрические резервуары не создают таких условий, что ведет к увеличению расхода энергии на перемешивание. Но они просты в изготовлении и сооружаются из различных материалов - стальные, бетонные и др., что позволяет использовать их в биогазовых установках самых крупных размеров. Биореакторы кубической формы используют в простых небольших установках, т.к. для интенсивного перемешивания биомассы и разрушения плавающей корки требуются значительные затраты энергии.

Также биогазовые установки различают по способу подвода теплоты и способу перемешивания.

Подвод тепла необходимого для протекания процесса может осуществляться прямым и не прямым способами. Прямой метод производится непосредственно подачей горячей воды или пара под давлением в бродильную массу. Для подогрева биомассы данным способом требуется установка парогенерирующей системы, что ведет к дополнительным затратам. Кроме того, при подаче пара или воды происходит неравномерное распределение температуры в реакторе, в результате чего происходит перегрев биомассы.

Не прямой метод осуществляться через теплообменные нагревательные устройства, расположенные внутри биореактора или в его стенках. При внутреннем подогреве нагревательные элементы должны быть достаточно прочными, чтобы не повредиться при движении биомассы в реакторе. Внешний подогрев с помощью теплообменников, расположенных на стенках реактора менее эффективен из-за потерь тепла в окружающую среду, однако, отличается удобством в обслуживании и эксплуатации.

Перемешивание бродильной массы может осуществляться следующими основными способами [5, 6]:

- гидравлическим;

- механическим;

- барботажным;

- комбинированным.

Гидравлический метод перемешивания заключается в рециркуляции бродильной массы из одной части биореактора в другую.

Механическое перемешивание производится с помощью применения мешалок, рабочими органами которых являются шнеки и лопасти, приводимые в действие от двигателя или вручную. Для перемешивания биомассы применяют следующие системы: многолопастная; пропеллерная погружная и лопастная системы.

Барботажное перемешивание осуществляется путем подачи выделяющегося биогаза обратно в реактор с помощью побудителя тяги и системы трубопроводов, расположенных в нижней части реактора.

В результате проведенного анализа нами предложена оригинальная классификация установок получения биогаза (рис. 3).

Рис. 3. Классификация биогазовых установок

Классификация включает конструктивные и технологические признаки всех основных элементов биогазовой установки и учитывает как отечественные, так и зарубежные разработки. Особенностью данной классификация является то, что учтено влияние барботажного метода перемешивания на температурный режим установки.

*Работа выполнена в рамках реализации стипендии Президента Российской Федерации СП -1716.2015.1.

Список литературы:

1. Веденеев, А.Г., Веденева, Т.А. - Б.: Руководство по биогазовым технологиям. - «ДЭМИ», 2011. - 84 с.

2. Гюнтер, Л.И. Метантенки / Л.И. Гюнтер, Л.Л. Гольдфраб - М.: Стройиздат, 1991. - 128 с.,

ил.

3. Костромин, Д.В. Биогазовая установка для исследования каталитических и барботажных процессов при анаэробной переработке органических отходов в АПК / Д.В. Костромин, А.А. Медяков, Р.В. Яблонский // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. -№2(26). - С. 1-5.

4. Suslov D.Yu., Kushchev L.A. Biogas technology - a contemporary method for processing organic wastes // Chemical and Petroleum Engineering. 2010. Т. 46. № 5. P. 308-311.

5. Эдер Б., Шульц Х. Биогазовые установки / перевод с нем. компании «Zorg Biogas»: 2008. 268 с.

6. Суслов Д.Ю., Темников Д.О. Тепловой баланс биореактора с барботажным перемешиванием биомассы // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. №1. С.182-185.