Увеличение выхода биогаза с помощью гидродинамических кавитационных реакторов

УВЕЛИЧЕНИЕ ВЫХОДА БИОГАЗА С ПОМОЩЬЮ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ КАВИТАЦИОННЫХ РЕАКТОРОВ

Н. В. Оболенский, доктор техн. наук, профессор;

Ю. Е. Крайнов, старший преподаватель, аспирант Г БОУ ВПО «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт»

Аннотация. В последние годы на стыке наук: физики акустических и гидродинамических волновых процессов, нестационарной гидродинамики, химической кинетики сложилось новое научное направление - технология кавитационно-гидродинамического воздействия. Разрабатываемые в рамках этого направления технологии и оборудование могут быть использованы в различных отраслях промышленности, в частности, в сельском хозяйстве.

Ключевые слова: кавитация, гидродинамика,

биогаз, ультразвук, реактор, деструктор.

Кавитация - (от лат. еауИаз - пустота) - образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну.

В промышленности кавитация используется для гомогенизирования, или смешивания, и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе. Многие промышленные смесители основываются на этом разработанном принципе. Обычно это достигается благодаря конструкции гидротурбин или путем пропускания смеси через кольцевидное отверстие, которое имеет узкое входное отверстие и значительно большее выходное: вынужденное уменьшение давления приводит к кавитации, поскольку жидкость стремится в сторону большего объема. Этот метод может управляться гидравлическими устройствами, которые контролируют размер входного отверстия, что позволяет регулировать процесс работы в различных средах. Внешняя сторона смесительных клапанов, по которой кавитационные пузыри перемещаются в противоположную сторону, чтобы вызвать имплозию (внутренний взрыв), подвергается огромному давлению и часто выполняется из сверхпрочных или жестких материалов, например, из нержавеющей стали, стеллита. Также были разработаны кавитационные водные устройства очистки, в которых граничные условия кавитации могут разрушить органические молекулы.

Механизм действия. Основным способом получения и использования эффекта кавитации является гидродинамический способ. Гидродинамическая кавитация возникает в тех участках потока, где давление понижается до некоторого критического значения. Присутствующие в жидкости пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком жидкости и попадая в область давления меньше критического, приобретают способность к неограниченному росту. После перехода в зону пониженного давления рост прекращается, и пузырьки начинают уменьшаться. Если пузырьки содержат достаточно много газа, то при достижении ими минимального радиуса, они восстанавливаются и

совершают несколько циклов затухающих колебаний, а если мало, то пузырек схлопывается полностью в первом цикле. Таким образом, вблизи обтекаемого тела создается кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками.

Кавитационные деструкторы в биогазовых установках

Благодаря управляемому процессу кавитации в деструкторах биомассы, они нашли широкое применение в производстве биогаза (рис.1).

И"

7 8~]

Рис. 1. Технологическая схема производства биогаза:

1) животноводческое помещение; 2) навоз приёмник;

3) деструктор; 4) метантенк; 5) газгольдер; 6) теплообменник; 7) котел; 8) навозохранилище.

Специально спроектированная конструкция деструктора (рис.2) позволяет использовать разрушительный эффект кавитации для придания исходному сырью однородной и гомогенной массы. Под воздействием направленной и управляемой кавитации в биологическом сырье рвутся сложные связи волокон органических веществ на молекулярном уровне (лигнин, целлюлоза). Как следствие этого процесса, дисперсность биологического сырья зна-

чительно увеличивается, и его частицы уменьшаются в размерах до 0,1 - 8 мкм. Таким образом, всем штаммам бактерий, участвующим в процессе образования биогаза, на всех его этапах, становится легче разлагать биогенные материалы, т. к. их однородная структура разрушена и, соответственно, увеличивается площадь покрытия бактериями биологического сырья.

Рис. 2. Кавитационный деструктор биомассы

В технологической схеме комплекса оборудования биогазовой установки (рис.1) кавитационный деструктор биомассы (рис. 2) устанавливается между резервуаром предварительного накопления биомассы и биореактором (ферментатором). Также возможна циклическая циркуляция и одновременная гомогенизация биомассы непосредственно в ёмкости предварительного накопления. Биомасса при помощи насосного оборудования подаётся в рабочую камеру деструктора. Рабочая камера деструктора имеет специальную конструкцию и основана на принципе гидродинамической кавитации. Внутренний профиль рабочей камеры спроектирован таким образом, что при прохождении биомассы через неё создаётся направленный кавитационный удар. Благодаря конструкторскому и технологическому решению проектирования внутренней части рабо-

чей камеры, разрушительное действие кавитационных пузырьков не воздействует на поверхность рабочей камеры деструктора.

Результаты исследований показатели, что изменение конструкции модели привет к усилению кавитационного течения. Следовательно, можно предположить, что кавитационный деструктор, с измененной конструкцией, представляет более совершенную модель реактора.

К важнейшим положительным результатам предварительной обработки биологического сырья перед его направлением в биореактор можно отнести следующие показатели:

1. Высокая степень измельчения и гомогенизации сырья, как следствие, увеличение количества частиц на поверхности позволяет увеличить и интенсифицировать производство биогаза на 30 - 50 %.

2. Благодаря высокой дисперсности и интенсификации процессов анаэробного брожения, значительно уменьшается период сбраживания биомассы. Результатом уменьшения периода сбраживания является возможность строительства биореакторов меньших объёмов и размеров, что приводит к значительной экономии затрат на капитальные строения.

3. При деструкции биомассы из клеточных и субклеточных материалов интенсивнее высвобождаются природные энзимы, которые являются биологическими катализаторами процесса сбраживания биомассы. Этот эффект также увеличивает объём производимого биогаза.

4. Существенно стабилизируются биологические процессы, что приводит к отсутствию пенообразования и плавающей корки в верхней части биореактора. Таким образом, весь полезный объём реактора используется эффективно.

5. Процентное содержание метана в биогазе уве-

личивается до 70 - 75 %. Этот показатель содержания метана свойственен обычному природному газу в зависимости от его географического происхождения.

Работа кавитационных деструкторов биомассы отличается универсальностью применения в отношении исходного сырья, а также компактностью и очень высоким рабочим ресурсом. Кавитационная технология, используемая при строительстве биогазовых установок, даёт большое преимущество в соотношении цена / качество / производительность, в сравнении со всеми существующими биогазовыми установками.

INCREASE OF THE OUTPUT OF BIOGAS BY MEANS OF HYDRODYNAMICAL CAVITATIVE REACTORS

N. V. Obolensky, the doctor of technical sciences, the professor;

J. E. Krainov, the senior teacher, the post-graduate student of NGIEI.

Annotation. In recent years on a joint of sciences: physicists of acoustic and hydrodynamical wave processes, non-stationary hydrodynamics, chemical kynetics there was a new scientific direction - technology of cavitative-hydrodynamical influence. Technologies developed within the limits of this direction and the equipment can be used in various industries, in particular, in agriculture.

Keywords: Cavitation, hydrodynamics, biogas, ultrasound, a reactor, destructor.