3.1 Термостабілізація процесу анаеробного бродіння, тепловий баланс БГУ

Недоліком відомих типів біогазових реакторів є те, що за рахунок недостатнього та нерівномірного прогрівання суміші коливання температур в об’ємі субстрату стають значними. Це порушує технологічні вимоги та зменшує продуктивність щодо виходу біогазу порівняно з теоретичним. За рахунок вертикального градієнта температур у нижній зоні утворюється холодний малорухомий шар, а верхня зона перегрівається. Також до основних недоліків можна віднести великі площі теплообмінників, що призводить до значного зростання вартості спорудження реактора [13].

Процес бродіння протікає у трьох основних температурних режимах:

-         кріофільному: температура бродіння 20 °С;

-         мезофільному: оптимальна температура   32 – 33 °С;

-         термофільному 52 – 54 °С.

Будь-які різкі зміни температури впливають негативно на процес. Для кожного режиму зброджування допустимі коливання температур ± 3 °С.

         Процес термостабілізації в біореакторах – це вирівнювання полів температур по об’єму  та дотримання температурних режимів. Досягнення термостабілізації можливе при автоматизованому контролі параметрів температурних режимів, активному перемішуванні та рівномірному прогріванні субстрату.

         Метаболічна активність анаеробних бактерій знаходиться в прямій залежності від температури середовища. Згідно з останніми дослідженнями, зі зростанням температури вихід газу і розкладання органіки збільшується. Навпаки, зі зменшенням температури до  15 °С процес бродіння повністю припиняється.

При мезофільному процесі вихід газу буде складати 0,8…1,0 м³ на кілограм розкладеної органіки або 0,4…0,6 м³ на кілограм внесеної сирої органічної маси. Для підвищення вироблення біогазу з субстрату необхідно збільшити час бродіння або температуру бродіння. В обох випадках при порушенні термостабілізації процес погіршує своє протікання.

Термостабілізаційні процеси в біореакторі викликають значну увагу у дослідників, оскільки дозволяють зменшити енерговитрати та отримати максимальну кількість   біогазу з одиниці маси сировини при мінімальних витратах ресурсів. Процесів ресурсоощадності можна досягати шляхом конструктивних змін біореактора, поліпшення умов теплообміну, підготовки сировини, зміни температурних режимів тощо.

Анаеробне перероблення органічних відходів дозволяє отримати біогаз та зменшити техногенне навантаження на біосферу. Для виробництва біогазу використовують різні за конструктивними особливостями біогазові установки. Показником ефективної роботи такої установки є продуктивність, вихід біогазу з одиниці об’єму біомаси, тривалість робочого циклу та енергетичні затрати із забезпечення термостабілізації та інтенсифікації біоконверсії. Ці показники в основному визначають собівартість виробництва біогазу [29, 47, 58]. Тривалість робочого циклу біогазової установки для забезпечення максимального виходу біогазу з одиниці об’єму біомаси визначається за умови

Суттєва частина тривалості робочого циклу біогазової установки   (80% ... 90%) становить  період  активної  ферментації  біомаси,  що визначається режимом анаеробного бродіння, кількісним та якісним вмістом в субстраті органічної речовини, енергетичними затратами із забезпечення термостабілізації процесу анаеробного бродіння [27, 28]. Основними напрямками оптимізації періоду активної ферментації біомаси є інтенсифікація та термостабілізація технологічного процесу виробництва біогазу.

Анаеробний процес, який проходить в біогазовій установці, споживає певну кількість енергії: теплової енергії – для підтримання термостабільності в реакторі та попереднього нагріву субстрату до температури зброджування; механічної енергії – для здійснення перемішування середовища в ємкостях і переміщення матеріальних потоків субстрату. Експлуатація біогазових реакторів вимагає забезпечення стабільного температурного режиму за різних умов навколишнього середовища. Коливання температур субстрату не повинно перевищувати сприятливих для ферментації бактерій меж. У зв’язку з цим доцільним є дослідження тепломасообмінних процесів в реакторі при різних режимах: кріофільному, мезофільному та термофільному [3-5].

Технологія метанового бродіння в біогазовій установці потребує дотримання меж температурних режимів, інтенсифікації теплообміну між нагрівником і субстратом. Схему до моделювання тепломасообмінних процесів в біогазовій установці наведено на рис. 3.1.

Рисунок  3.1 – Схема до моделювання тепломасообмінних процесів:

 

 1 – теплоізоляційний корпус; 2 – субстрат; 3 – нагрівник; 4 – газопровід; 5 – утилізаційний теплообмінник; 6 – магістраль рециркуляції вторинного теплоносія; 7 – резервуар накопичення біогазу;   8 – нагнітач теплоносія; 9 – запобіжний клапан

Рівняння масообмінних процесів в біогазовій установці описується формулою:

 

Тепловий режим в біогазовій установці залежить від теплоізоляційних властивостей зовнішніх огороджень біогазової установки, додаткової енергії, яка надходить у біогазову установку для забезпечення термостабілізації, а також від режиму анаеробного бродіння, для підтримання якого повинен дотримуватись тепловий баланс втрат та надходжень теплоти.

Рівняння теплового балансу біогазової установки описується залежністю

Основними шляхами досягнення термостабілізації процесу виробництва біогазу є:

·       рівномірне прогрівання суміші, що досягається об’ємним нагрівальним елементом (наприклад – гріючими стінками реактора);

·       контрольоване перемішування субстрату за певним законом, завдяки чому вирівнюються поля температур;

·       малочастотне високоамплітудне вібраційне перемішування субстрату;

·       локальний і масовий барботаж теплообмінника;

·       влаштування енергоефективної системи теплоізоляції для запобігання тепловтрат разом з наведеними вище способами перемішування;

автоматизований контроль над температурними полями в реакторі та над станом теплоізоляції  і управління процесом перемішування субстрату.