Разработка технологической схемы переработки отходов птицеферм с получением биогаза

Для удобства чистки и замены внутренних труб, по которым циркулирует исходное сырье, они обычно соединены коленами на фланцевых разъемах. Основным недостатком  теплообменников данного типа является значительная металлоемкость и большие габаритные размеры.

Кроме указанных типов теплообменников  возможно использование и других специальных конструкций. Например, конструкций из листового материала, которые весьма эффективны с точки зрения теплопередачи.

Однако всегда следует учитывать  склонность исходного сырья, к осадкообразованию  и прилипанию к стенке при высоких  температурах стенки при недостаточной  скорости потока.

Экономическая эффективность узла подготовки исходного сырья установки метанового сбраживания определяется затратами тепловой энергии на подогрев. Поэтому все большее распространение получили решения связанные с утилизацией побочной (бросовой) тепловой энергии.

 

 

3.2 Метановое сбраживание

Этап метанового сбраживания в  технологической схеме биогазовой установки является определяющим. В зависимости от того в каком режиме используется работа основного аппарата – метантенка,  получает и технологическая схема  установки в целом.   

В практике существует следующие основные типы технологических схем:

• Периодические (с переменным использованием метантенков);
• Непрерывная (проточная);
• Ступенчатая или двухстадийная.

В периодическом режиме сбраживание  осуществляется с использованием 2 или более метантенков, расположенных  в схеме таким образом, что когда в одном из них идет процесс сбраживания, другой реактор находится под загрузкой или в стадии разгрузки. В этом случае метантенки опорожняются на 70-80% их рабочего объема, а оставшаяся масса является затравочным, или инокулирующим  материалом, содержащим необходимую для сбраживания микрофлору.

Коэффициент использования метантенков  при периодическом режиме сбраживания  снижается по сравнению с проточным  режимом мального режима,  потенциальная  производительность такой системы  используется не полностью.

Однако системы, работающие в периодическом  режиме обладают  и рядом преимуществ - в метантенках таких систем отсутствует  проскок свежезагружаемой необеззараженной массы  в зону выгрузки, так как  в отличие от проточных систем процесс метанового сбраживания между загрузкой исходного сырья и выгрузной сброженной массой протекает без добавления свежего субстрата, т.е. обеспечивается более гарантированная степень обеззараживания.

Периодическую систему нельзя использовать без газгольдера, так как необходим  постоянный запас биогаза для заполнения объема реактора освобождающихся при выгрузке субстрата. В противном случае в рабочий объем реактора проникает воздух, что отрицательно сказывается на жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов и безопасности эксплуатации.

Одним из вариантов периодической  схемы анаэробного сбраживания  является система с накоплением  газа и шлама, которая выполняется  только с одним реактором. Этот реактор  играет роль бродильной камеры и накапливает  шлам до момента вывоза в поле.

В проточной системе (при непрерывном или квазинепрерывном процессе) субстрат загружается в метантенк либо непрерывно, либо через определенные промежутки времени, с удалением при этом соответствующего объема  сброженной массы. Такой процесс называют объемно – доливным.

При обеспечении постоянства условий  производства, т.е. подачи равных доз  субстрата с одинаковыми характеристиками, поддержания оптимальной температуры  брожения, можно достичь максимального  равномерного выхода биогаза при  непрерывном процессе газообразования. Для обеспечения  успешной работы непрерывных систем необходимо подавать в метантенк предварительно  подогретый до оптимальной температуры субстрат и обеспечить эффективное перемешивание. В подобных схемах используются  метантенки  с высокими дозами загрузки (от 16 до 20% объема метантенка).

При полунепрерывном или объемно-доливном процессе сбраживания при выгрузке из метантенка части сброженного  субстрата, равной дозе разовой  загрузки одновременно в метантенк подается эквивалентное количество исходного сырья. Количество циклов «загрузка-выгрузка» подбирается  для каждого конкретного случая, исходя из значений параметров, влияющих на процесс факторов.  Таким образом, если в периодической системе (разовых загрузок) основным фактором, ускоряющим процесс является температура, то при проточной системе появляются другие технологические меры воздействия на эффективность процесса. Одной из таких мер является регулирование и установление оптимальной дозы загрузки. Так как процесс – термофильный, понижение температуры не допустимо.

Все технологические параметры  при непрерывном процессе связаны  со скоростью роста клеток микроорганизмов. При непрерывном протоке из бродильного  аппарата вместе со сброженным субстратом выносится часть микрофлоры, а  в процессе брожения – количество клеток возрастает.

Для метанобразующих бактерий непрерывный  способ – единственная возможность  осуществить интенсивное брожение. Длительность процесса метанового брожения при периодическом способе значительно  больше, чем в других анаэробных процессов. Вообще любые технологичесике приемы, ведущие к неравномерному поступлению сбраживаемого субстрата в метантенк оказывают более отрицательное воздействие на метановое брожение, чем на другие анаэробные процессы. 

Упрощенно рассматривая процесс метанового сбраживания проходящий 2 стадии: кислая с выделением CO₂ и метановая с выделением СН₄ – его можно проводить не в одном реакторе, как в обычной проточной схеме, а ступенчато, с разделением стадий брожения по отдельно работающим сооружениям.   

Проведение процесса гидролиза  в отдельном реакторе позволит значительно  сократить его объем.  

Преимущества 2 ступенчатой технологии:

• На каждой отдельной стадии задается необходимая интенсивность перемешивания и время экспозиции (технологической выдержки), что способствует оптимизации разделенных в пространстве стадий процесса;
• Кислород и другие токсиканты, попадающие в установку со свежим субстратом, поглощаются на первой стадии и не влияют на метаногенную фазу. 1 ступень в этом случае играет роль буфера, поскольку микроорганизмы биоценоза 1 стадии имеют меньший период генерации по сравнению с метаногенным и быстрее восстанавливаются после воздействия токсикантов;
• При одноступенчатой технологии ударные нагрузки приводят к подкислению содержимого и снижают активность метанобразующих микроорганизмов. В 2ступенчатой схеме можно легко поддерживать оптимальный для каждой стадии водородный показатель метаногенной фазы;
• Возможность проведения экономически оправданной термофильной технологии (в случае утилизации тепла на 1 стадии) способствует гигиенизации субстрата. Опыты показали, при рабочей температуре 50⁰С патогенные бактерии погибнут уже через 24 часа.   

Изобилие конструктивных решений  основного аппарата – метантенка накладывает дополнительные требования к построению технологической схемы.

По своим конструктивным особенностям используются метантенки горизонтальные и вертикальные. При изготовлении метантенков из металла вертикальные метантенки имеют преимущества перед  горизонтальными. Затраты металла  на 1м³ объема метантенка  у вертикальных метантенках значительно ниже, чем у горизонтальных. Вертикальное исполнение метантенка позволяет создать гораздо большие объемы в одном метантенке.

Эффективность метанового сбраживания  в значительной степени зависит  от конструкции метантенка, его рабочих органов, что должно учитываться при проектировании. Конструкция метантенка должна обеспечить благоприятные условия жизнедеятельности микроорганизмов и стабилизировать процесс в оптимальном режиме. Это означает, что устройство метантенка должно позволять производить 2х или 3х разовую загрузку подготовленного сырья с одновременной выгрузкой продукта и полным перемешиванием содержимого реактора, обеспечить постоянство заданной температуры и концентрации ионов водорода во всех точках метантенка. Кроме того, метантенк должен иметь хорошую теплоизоляцию, высокую коррозионную стойкость, прочность, герметичность, удобство обслуживания. 

Наибольшее распространение получили цилиндрические камеры с коническими  верхней и нижней частями, т.к. они обеспечивают, удаление сверху оставшегося субстрата – снизу.

Такие камеры технологичны в изготовлении (используется сталь и железобетон). Применение в них железобетонных деталей с дополнительной окраской внутренних поверхностей или с дополнительной внутренней облицовкой, цельных сварных резервуаров, а также синтетических полимерных материалов, армированных стекловолокном, обеспечивает герметичность установки.

Важным элементом конструкции  метантенка являются нагревательные устройства, которые предназначены для обеспечения стабильной температуры брожения субстрата и компенсации теплопотерь. Широкое распространение для этих целей нашли теплообменники, встроенные в метантенк.

Нагревательные устройства могут  быть встроены в стенку камеры, располагаться в ее нижней части, по периметру камеры в форме змеевика. Каждая из этих конструкций обеспечивает лишь локальный обогрев смеси, но равномерного температурного поля достичь не удается. Оптимальным решением, по-видимому, является компоновка в одном метантенке различных типов теплообменных устройств, позволяющих обогревать весь объем сбраживаемой массы.

В системе подвода тепла необходимо предусмотреть, чтобы на поверхностях теплопередачи не могли откладываться  твердые частицы из субстрата (обеспечить высокую скорость движения субстрата относительно поверхности теплопередачи) или обеспечить чистку этих поверхностей.

В качестве нагревательных элементов  чаще всего используются трубчатые  теплообменники, в которых теплоносителем служит горячая вода с температурой 60-70 ⁰С. Более высокая температура повышает риск налипания взвешенных частиц на поверхность теплообменника.

Для небольших реакторов с перемешивающими  устройствами используются теплообменные  нагревательные агрегаты (шланги, цилиндрические или плоские теплообменники), через которые прокачивается горячая вода и для очистки их можно вынимать из реактора.

Подогрев субстрата может быть осуществлен путем непосредственного  введения в реактор  горячей воды или пара. Положительным в данном случае являются одновременное  разбавление (в случае с низкой влажности сырья) и турбулизация субстрата. Однако может возникнуть местный перегрев, что отрицательно влияет на жизнедеятельность микроорганизмов. Разбавление субстрата нежелательно также при его повышенной влажности.

 В качестве подогрева сырья  может быть использован нагрев  факелом, что позволит получить  высокий коэффициент теплопередачи,  компактность и простоту конструкции.  Однако как и в случае прямого  нагрева острым паром при подобном  методе нагрева возможно локальное значительное повышение температуры, что подавляет рост и жизнедеятельность микроорганизмов.

Одним из вариантов подогрева субстрата  является использование для этой цели выносных теплообменников различных  конструкций (кожухотрубчатые, «труба в трубе», спиральные). Такое расположение теплообменников облегчает их чистку и эксплуатацию. Кроме того в них поддерживается высокая степень перемещения субстрата, что предотвращает выпадение твердых взвешенных частиц на поверхности теплообмена. Немаловажным условием эффективной деградации субстрата является его перемешивание.

Для технической реализации процесса перемешивания в метантенках  используются механические, гидравлические и пневматические устройства.

Для механического перемешивания  применяются различного рода мешалки. Для небольших установок с объемом метантенка 5-10м³ могут применятся механические мешалки с ручным приводом.

Гидравлическое перемешивание  может быть применено как для  крупных метантенков, так и для  метантенков небольшой вместимости.

В метантенках до 500 м³ для этой цели могут быть использованы центробежные насосы в случае, когда уровень сбраживаемой массы в сооружении находится ниже расчетного и нельзя применять другие перемешивающие устройства. В том случае массу забирают из конусного днища и подают по загрузочной трубе в верхнюю зону метантенка.  

Высокая эффективность гидравлического  перемешивания достигается при  выбрасывании из вращающегося сопла  струи жидкости, попадающей во все  части камеры.

В процессе длительной эксплуатации происходит уплотнение корки, образующейся на поверхности сбраживаемой массы. В результате затрудняется выделение образующегося биогаза и происходит затухание процесса метанообразования. В этих условиях снижается степень деградации органических веществ в метантенке. Поэтому  для стабилизации условий метаногенеза необходимо регулярное разрушение образующейся корки. Наиболее экономичным и эффективным является механическое разрушение корки специальными устройствами. 

Обязательными требованиями, которым  должна отвечать конструкция метантенка являются:

• Равномерное перемешивание сбраживаемой массы  с оптимальной скоростью перемещения субстрата;
• Создание в метантенке равномерного температурного поля;
• Иметь специальные устройства, предотвращающие образование плавающей корки и засорение патрубков, устройство для пеногашения и сепарации биогаза.

3.3. Сбор и использование биогаза

      3.3.1. Элементы технологической схемы

 

Одним из определяющих факторов при  разработке технологической схемы  установки метанового сбраживания  является давление биогаза и производительность установки по биогазу. Следует рассмотреть 2 варианта, а именно: метантенк работает под избыточным давлением и метантенк работает под вакуумом.