1.3. Конструктивные аспекты биогазовых установок

В настоящее время разработаны биогазовые установки с различными конструктивными и технологическими особенностями.

Конструктивно все биогазовые установки практически не отличаются друг от друга, и представляет собой герметично закрытую емкость, в которой при определенных условиях происходит сбраживание органического субстрата с образованием биогаза и биоудобрений. Основными компонентами биогазовой установки являются биореактор, в котором происходит сбраживание, и газгольдер для сбора получаемого биогаза, также установка может содержать системы подогрева, перемешивания, устройства КИП и автоматики.

Рис.1.6. Общая схема биогазовой установки.

1 – источник отходов; 2 – приемный бункер; 3 – бункер загрузки исходного субстрата; 4 – входной патрубок; 5 – биореактор; 6 – система подогрева; 7 – газгольдер; 8 – патрубок слива готового удобрения; 9 – хранилище удобрения; 10 – газ потребетилю.

В результате проведенного анализа нами предложена оригинальная классификация установок получения биогаза (рис.1.9). Классификация учитывает как отечественные, так и зарубежные биогазовые комплексы.

Рис.1.9. Классификация биогазовых установок.

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 системы.

Рис.1.10. Схема непрерывной системы.

1 – биореактор; 2 – газгольдер; 3 – реактор-дображиватель.

В непрерывной системе субстрат загружают в биореактор непрерывно или через короткие промежутки времени, удаляя при этом соответствующий объем перебродившего субстрата (рис.1.10). При соблюдении требуемых условий производства непрерывные системы стабильны и значительно превышают объемы производства биогаза и биоудобрений по сравнению с другими системами.

Системы полунепрерывного действия характеризуются прерывистым процессом, протекающим не менее, чем в двух одинаковых биореакторах, которые попеременно заполняются свежим субстратом и по истечение заданного времени брожения опорожняются (рис. 1.11).

Рис.1.11. Схема полунепрерывной системы

1 – биореактор; 2 – газгольдер; 3 – реактор-дображиватель.

Т.к. при постоянном количестве подаваемого субстрата загрузка рабочего объема в процессе заполнения будет постоянно снижаться по сравнению с оптимальным значением, потенциальная производительность системы будет использоваться не полностью.

Системы периодического действия состоят из одного биореактора, который полностью загружается исходным субстратом, а затем после определенного времени процесса полностью опорожняется (рис.1.12).

Рис. 1.12.Схема периодической системы.

1 – биореактор; 2 – газгольдер.

Для увеличения производительности биореакторы не освобождают полностью, а остаток шлама используют для затравки новой порции субстрата. Такие системы просты в обслуживании, но нестабильны и имеют низкую производительность.

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 (1.13). 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. 1.13. 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.

По способу загрузки биореакторы бывают с верхним, боковым и нижним подводом исходного субстрата. Наибольше распространение получили биореакторы с боковым входным патрубком, расположенным в верхней части резервуара.

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. Подогрев биомассы путем подачи пара под давлением малоэффективен, поскольку необходимо применение парогенерирующей системы, что ведет к значительному удорожанию эксплуатации такой установки. Применение этого метода обосновано при использовании субстрата, содержащего большое количество твердых частиц, т.к. для разбавления и достижения требуемой влажности бродильной массы необходимо определенное количество воды. Кроме того, при применении этого метода характерно не равномерное поддержание температуры в реакторе, в результате чего происходит перегрев бродильной массы.

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 теплоты с ее поверхности, но при этом внутри реактора ничто не препятствует передвижению бродильной массы.

Перемешивание бродильной массы может осуществляться следующими основными способами:

- гидравлическим – перекачиванием биомассы из верхней зоны реактора в нижнюю;

- механическим с помощью мешалок;

- барботажным - пропусканием биогаза через толщу сырья;

Анализ конструктивных решений биогазовых установок показал, что большинство из них имеют одноступенчатый реактор цилиндрической формы вертикального исполнения, работают в непрерывном режиме с механическим перемешиванием и подогревом через нагревательные элементы.