Рентабельність біогазових установок пропорційна витратам енергії на обігрівання реактора. Мікробіологічні особливості протікання процесу анаеробного бродіння вимагають дотримання меж температурних режимів і температурної стабілізації, рівномірного прогріву середовища, відсутності зон переохолодження і перегріву [31, 42, 48].

Щоб отримати необхідну для процесу бродіння температуру і по можливості підтримувати її на сталому рівні, варто перш за все підігріти до необхідної температури субстрат, який подається в реактор. Додаткове підведення теплоти необхідне для компенсації теплових втрат. Теплоту можна підводити до субстрату в робочому середовищі реактора або в пристрої, який його підживлює. Оскільки перепади температури негативно впливають на хід біологічного процесу анаеробного бродіння, необхідно по можливості поєднувати підведення теплоти до реактора з інтенсивним перемішуванням субстрату. Крім того, в системі підведення теплоти необхідно передбачати, щоб на поверхнях теплопередачі не відкладалися тверді частинки субстрату. Тому рекомендовані, наприклад, високі швидкості руху субстрату відносно поверхонь теплопередачі або поверхні, які легко очищуються. На роботу теплообмінника не повинна впливати присутність в субстраті твердих матеріалів (наприклад, стебел соломи, пір’я, шерсті) [3].

Для невеликих реакторів як пристрої перемішування використовуються теплообмінні нагрівні агрегати (наприклад, гнучкі неметалеві трубопроводи, циліндричні або плоскі теплообмінники), через які проходить гаряча вода і які можна виймати із реактора при його очищенні. Нагрівачі, вбудовані в стінки реактора, доцільно застосовувати з точки зору їх коефіцієнта корисної дії лише в тому випадку, коли вони можуть передавати теплоту до субстрату з обох сторін стінки так, як це відбувається в двокамерному реакторі з внутрішньою перегородкою. Крім того, підігрівання субстрату можна здійснювати безпосередньо, подаючи в нього гарячу воду або пару. Оскільки вода служить одночасно для розбавлення і турбулізації субстрату, який при завантаженні містить велику кількість твердих частинок, цей метод може виявитись         ефективним [3]. Підігрівання субстрату шляхом введення пари під тиском призводить до підвищення вмісту вологи в біогазі, для усунення якої при підготовці газу до використання необхідні додаткові заходи. У великих установках, особливо в комунальних установках для очищення стічних вод, цим недоліком нехтують, зважаючи на більш високий енергетичний коефіцієнт корисної дії теплопередачі.

Рівномірну передачу теплоти до субстрату можна забезпечити за допомогою теплообмінників, розташованих поза реактором. Проте їх слід використовувати лише в поєднанні з системою вимушеної циркуляції субстрату, що спричиняє відповідне підвищення витрат енергії, але дозволяє надійно регулювати температуру бродіння. Ця система підігрівання має переваги завдяки одночасному підігріву та перемішуванню свіжого та циркулюючого субстрату. Різниця між температурами субстрату, який надходить в реактор та тим, що там знаходиться, буде незначною. До того ж, надійно підтримується швидкість переміщення субстрату, яка є необхідною для запобігання випадіння твердого осаду на поверхнях теплообмінника. Розташування теплообмінників поза межами реактора значно полегшує доступ до них для обслуговування та ремонту.

Постійне рівномірне розподілення та переміщення рідини і твердих речовин, які містяться в ній та різняться за розміром, формою та щільністю, є передумовою безперешкодного та ефективного протікання процесу бродіння.

У бродильних камерах необхідно проводити стрімке перемішування для попередження виникнення у верхній частині реактора спливаючої речовини. Це значно прискорює процес бродіння і вихід біогазу. Без перемішування для отримання такої ж продуктивності об'єм реактора повинен бути значно збільшений.

Перемішування здійснюється [9, 41, 27]:

·        механічними мішалками різної форми або насосами з приводом від електродвигуна;

·        гідравлічними насадками за рахунок енергії струменя, перекачуваного насосом зброджуваного гною або рециркуляцією;

·        надмірним тиском біогазу, що пропускається через барботер або трубку, розташовану в нижній частині реактора.

При застосуванні обертових перемішувальних пристроїв висуваються високі вимоги до форми реактора, оскільки він повинен забезпечувати необхідні умови для зменшення утворення осаду і плаваючої кірки. Швидкість переміщення, що потрібна для інтенсивного перемішування субстрату, визначається умовами турбулентності в усіх зонах реактора. Тому такі мішалки можуть ефективно використовуватись лише в невеликих реакторах при дії на важкі субстрати. Для субстратів малої в’язкості, що містять мало речовин, схильних до осадження чи утворення плаваючої кірки, механічні перемішувальні пристрої є більш ефективними і у відносно великих реакторах.

У великих реакторах, особливо циліндричної форми, субстрат можливо перемішувати гідравлічним способом, тобто за допомогою струменя рідини. В численних біогазових установках, збудованих в Федеративній Республіці Німеччині 20 років тому, добре зарекомендувала себе система з рухомим соплом. При горизонтальному направленні сопла, яке обертається навколо осі реактора та може переміщуватись вздовж неї, струмінь рідини потрапляє в усі зони робочого простору реактора. Гідравлічні системи з нерухомим соплом вимагають, навпаки, ретельного підбору згідно з розмірами і формою реактора, щоб забезпечувати достатнє перемішування субстрату в усіх зонах реактора.

Високу якість перемішування можна отримати, нагнітаючи отриманий в результаті бродіння газ в рідкий субстрат. Проте при цьому субстрат не повинен мати високу в’язкість та схильність до утворення плаваючої кірки. В іншому випадку слід безперервно видаляти частинки, які спливають, або відокремлювати великі частинки твердого матеріалу від субстрату перед завантаженням його в реактор.

Структурну схему шляхів інтенсифікації теплового процесу анаеробного бродіння субстрату в біогазових установках наведено                         на рис. 3.8.

Перспективними шляхами вдосконалення устаткування для інтенсифікації процесу анаеробного бродіння субстрату в біогазових установках з метою збільшення виходу біогазу та зменшення часу перебування субстрату в установці є механічне перемішування. Одним із напрямків інтенсифікації та зменшення енерговитрат на виробництво біогазу є також зменшення тепловтрат через захисні конструкції корпуса установки.

 

Рисунок 3.11 − Структурна схема шляхів інтенсифікації теплового процесу анаеробного бродіння субстрату в біогазових установках