Получение биогаза в биореакторе с барботажным перемешиванием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат наук Суслов, Денис Юрьевич

• Суслов, Денис Юрьевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Суслов, Денис Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА

1.1 .Характеристики процесса получения биогаза при анаэробной ферментации органических отходов

1.2.Основные тенденции в развитии биогазовых технологий и аппаратов для получения биогаза

1.3. Интенсификация процесса получения биогаза барботажным перемешиванием биомассы

1.4. Математические модели, описывающие процесс получения биогаза

1.5. Задачи исследования и методологические основы работы

1.6. Выводы

2.РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА В БИОРЕАКТОРЕ С БАРБОТАЖНЫМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

2.1. Получение биогаза в мезофильном температурном режиме

2.2. Гидродинамические параметры системы перемешивания барботажного типа

2.3. Моделирование процесса барботажного перемешивания биомассы в биореакторе

2.4. Тепловой баланс биореактора с барботажным перемешиванием

2.5.Вывод ы

3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ

БИОГАЗА В БИОРЕАКТОРЕ С БАРБОТАЖНЫМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

3.1.Программа исследований и описание экспериментальной установки получения биогаза

3.2. Приборы, методики измерений и оценка достоверности полученных результатов

3.3.Математическое моделирование и матричное планирование многофакторного эксперимента

3.4. Экспериментальные исследования гидродинамических параметров системы перемешивания барботажного типа

3.5.Математическая обработка результатов экспериментальных исследований

3.6.Вывод ы

4 .РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Исследование влияния варьируемых факторов на удельный выход биогаза

4.2. Разработка инженерной методики расчета биореактора, оснащенного системой перемешивания барботажного типа

4.3. Разработка пакета программных комплексов для расчета конструктивно-технологических параметров биореактора

4.4.Вывод ы

5. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ

ВНЕДРЕНИЯ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ С БАРБОТАЖНЫМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

5.1.Промышленные испытания биореактора с барботажным перемешиванием

5.2.Технико-экономический расчет эффективности внедрения биогазовой установки с барботажным перемешиванием

5.3. Выводы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Обозначение Величина Размерность

А зольность % В0 предельный выход биогаза из единицы органического м3/кг вещества заданного состава при бесконечном времени экспозиции

С]:> коэффициент аэродинамического сопротивления

с теплоёмкость вещества Дж/(кг-К)

В диаметр аппарата м с1 нагрузка на реактор по органическому сухому веще- кг/(м3сут) ству

- - с/ диаметр элемента аппарата, пузыря м

F сила межфазного взаимодействия Н

^ площадь поверхности м2 функция сопротивления

Н высота аппарата м

к высота элемента аппарата или его участка м / степень перемешивания К кинетический параметр

к коэффициент теплопередачи Вт/(м2-К)

Ь длина аппарата или его участка м

/ линейный размер м

М масса вещества кг

N мощность Вт

п количественный размер шт

р давление Па

Qyд удельный выход (расход) биогаза м /кг АСВ

тепловая нагрузка Дж

5 радиус аппарата или его элемента м

концентрация субстрата кг/м3

51 площадь поперечного сечения м2

Т температура К

и скорость движения биомассы м/с

V объемный расход вещества м3/сут

V объем вещества м3

V объем аппарата или его элемента м3

IV влажность вещества %

Кп относительное объемное содержание %

X координата

У координата

г координата

а коэффициент теплоотдачи Вт/(м3К)

Р объёмная концентрация пузырьков %

8 символ Кронекера

Б скорость диссипации турбулентной энергии м2/с2

С коэффициент местного сопротивления

К турбулентная кинетическая энергия м2/с2

Л коэффициент трения

м динамическая вязкость Пас

Мт максимальная удельная скорость роста микроорганизмов сут"1

М2 коэффициенты скорости роста микроорганизмов

К коэффициент турбулентной вязкости м2/с

ПУ тензор турбулентных напряжений м2/с2

а поверхностное натяжение Н/м

Р плотность среды кг/м3

Т время с

V скорость газа м/с

(р угол

вг Критерий Грасгофа

Бг Критерий Фруда

N11 критерий Нуссельта

Рг критерий Прандтля

Яе критерий Рейнольдса

We Критерий Вебера

ИНДЕКСЫ ВЕЛИЧИН

Индекс Величина

у числовой порядок элемента

0,1,2,

бм биомасса бт барботажный трубопровод в вода

в виток

г газовая фаза

зм теплообменный аппарат - змеевик к конечное значение

н навоз

н начальное значение

о отверстие

П пузырь пр приведенное значение см смесь ср среднее значение

ст стенка т теплоноситель

те твердая фаза уд удельное значение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение биогаза в биореакторе с барботажным перемешиванием»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Развитие народного хозяйства Российской Федерации в условиях рыночной экономики определяет необходимость дальнейшего совершенствования процессов и аппаратов химических технологий различных производств. В отечественной и зарубежной практике все большее применение находят системы энергоснабжения сельскохозяйственных предприятий с использованием альтернативного источника энергии - биогаза. Биогаз образуется в результате анаэробной ферментации органических веществ, при этом происходит переработка отходов и получение высокоэффективных биоудобрений, что также решает экологические и агробиологические проблемы сельскохозяйственных предприятий.

Для производства биогаза широкое применение получили биореакторы с механическими системами перемешивания. Основным недостатком данных биореакторов является ограниченная зона перемешивания, вследствие чего возникают застойные зоны, в которых скапливается осадок, а также наблюдается образование на поверхности биомассы корки, препятствующей выходу биогаза.

Решение этих проблем возможно при применении биореакторов с системой перемешивания барботажного типа, однако в настоящее время процесс получения биогаза в биореакторах с барботажным перемешиванием является недостаточно изученным.

Поэтому актуальной задачей является исследование процесса получения биогаза при барботажном перемешивании биомассы и разработка конструкции биореактора.

Работа выполнена в соответствии с ГК № 17/14227 от 31.08.2011 года по программе "У.М.Н.И.К." и «Концепцией развития биоэнергетики и биотехнологий в Белгородской области на 2009-2012годы». (Постановление Правительства Белгородской области от 08.06.2009г. №183-пп).

Цель работы. Интенсификация процесса получения биогаза барботажным перемешиванием биомассы и разработка оригинальной конструкции биореактора.

Достижение этой цели осуществляется путем решения комплекса задач:

- изучение физико-химических основ процесса получения биогаза при анаэробной ферментации органических отходов; _

- разработка математической модели процесса получения биогаза в биореакторе с барботажным перемешиванием биомассы;

- разработка патентно-защищенной конструкции биореактора, оснащенного системой перемешивания барботажного типа;

- выполнение натурных экспериментальных исследований процесса получения биогаза на экспериментальной и промышленной установках;

- разработка инженерной методики расчета биореактора получения биогаза с системой барботажного перемешивания, реализованной в виде пакета программных комплексов;

- расчет экономической эффективности применения биогазовой установки для переработки органических отходов в биореакторе с барботажным перемешиванием .

Научная новизна

1. Разработана математическая модель процесса барботажного перемешивания биомассы, основанная на рассмотрении циркуляции двухфазного газожидкостного потока в турбулентном режиме.

2. В результате численного решения уравнений Навье-Стокса для двухфазного газожидкостного потока найдены осредненная осевая скорость и/иос и расход биомассы (Зц, а также время цикла барботажного перемешивания

3. Предложена зависимость для расчета коэффициента местных сопротивлений Сбт устройства барботажного перемешивания оригинальной конструкции.

4. Получена эмпирическая зависимость для определения максимальной удельной скорости роста микроорганизмов /лт при анаэробной ферментации субстрата в мезофильном температурном режиме.

5. Найдена эмпирическая зависимость удельного выхода биогаза от частоты перемешивания, продолжительности процесса, влажности и температуры био-

массы.

Методы исследований. Основные теоретические и экспериментальные разработки, представленные в диссертации, базируются на применении методов классической гидро- и газодинамики, теории математического моделирования, планирования экспериментов и статистической обработки результатов.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается: адекватностью математической модели процесса получения биогаза результатам экспериментальных данных с применением матричного планирования; удовлетворительной сходимостью результатов расчетных и экспериментальных данных по удельному выходу биогаза.

Практическая ценность

Разработана конструкция биореактора, оснащенного барботажной системой перемешивания, позволяющего повысить эффективность процесса получения биогаза при переработке органических отходов. Новизна конструктивного решения защищена патентом РФ на изобретение №2430153 опубл. 27.09.2011.

Разработана инженерная методика расчета биореакторов, оснащенных системой перемешивания барботажного типа, позволяющая определить рациональные конструктивно-технологические параметры аппарата.

Разработан пакет программных комплексов расчета биореакторов с удобным пользовательским интерфейсом, приемлемым временем расчета и визуальным представлением результатов моделирования.

Результаты исследований и экспериментальная установка используются в учебном процессе БГТУ им. В.Г. Шухова при изучении дисциплин «Системы промышленного газоснабжения», «Газоснабжение», «Основы научных исследований».

Автор защищает:

- математическую модель барботажного перемешивания биомассы в виде двухфазного газожидкостного потока в турбулентном режиме движения;

- аналитические зависимости, определяющие максимальную удельную ско-

рость роста микроорганизмов и коэффициент местных сопротивлений системы барботажного перемешивания;

- результаты вычислительного эксперимента, позволившего определить основные параметры процесса перемешивания и получить визуальную картину потоков биомассы в биореакторе;

- результаты экспериментальных исследований в виде уравнения регрессии по определению удельного выхода биогаза в биореакторе с системой барботажного перемешивания;

- инженерную методику расчета основных конструктивно-технологических параметров биореактора, реализованную в виде пакета программных комплексов с использованием численных методов решения уравнений;

- разработанную патентно-защищенную конструкцию биореактора, оснащенного системой перемешивания барботажного типа, позволяющего повысить эффективность процесса получения биогаза.

Реализация работы

Теоретические положения и практические результаты научной работы внедрены на ЗАО «Корочанский плодопитомник» в г. Короча Белгородской области.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: Международных научно-практических конференциях Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (2009-2012); Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2008); Международной научно-практической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2008); Международной научно-практической конференции «Тех-носферная безопасность, надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение» (Ростов, 2012); 1st International Scientific Conference «Applied Sciences in Europe: tendencies of contemporary development» (Stuttgart, Germany, 2013).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 2 патента РФ на изобретение и на полезную модель.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложений. Материал изложен на 163 страницах машинописного текста, в том числе 13 таблиц и 46 рисунков, список использованной литературы состоит из 167 наименований, из них 48 на иностранных языках.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА

1.1. Характеристики процесса получения биогаза при анаэробной ферментации органических отходов

Одним из важнейших направлений развития народного хозяйства Российской Федерации является технологическая модернизация систем и оборудования химической и смежных отраслей промышленности. При этом важную роль играет дальнейшее развитие теоретического описания процессов и аппаратов различных производств. Значительный вклад в развитие теории моделирования процессов химической технологии внесли: Кафаров В. В., Дорохов И.Н., Винаров А. Ю., Гордеев Л.С., Лабутин А.Н. и др. Эти исследования предопределили высокий уровень развития химических технологий, определяющих развитие экономики страны в целом [24,46,47,62].

На современном этапе развития РФ большое внимание уделяется развитию агропромышленного комплекса (АПК) страны, который производит основные продукты, необходимые для жизнедеятельности человека. Ситуация со снабжением продуктами питания обострилась в связи со вступлением РФ во Всемирную торговую организацию. Известно, что продукты отечественного производства, отличаясь высоким качеством, проигрывают в стоимости. Одной из причин этого является постоянно растущие цены на энергоносители [25].

В Российской Федерации принята «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия», что привело к резкому увеличению количества животноводческих и птицеводческих предприятий, требующих эффективного и стабильного энергообеспечения [85].

Основным видом топлива для энергоснабжения сельскохозяйственных предприятий является природный газ, наиболее эффективный и экологически чистый

источник энергии [52]. Газоснабжение сельскохозяйственных предприятий позволяет улучшить условия содержания животных и повысить производительность хозяйства. Объектами газоснабжения являются помещения содержания животных, в которых для отопления и вентиляции используются генераторы горячего воздуха, котельная для производства горячей воды и пара на технологические нужды, оборудование для приготовления кормов, а также здания и помещения обслуживающего персонала, содержащие котлы и водонагреватели для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения [3].

Известно, что большинство сельскохозяйственных предприятий работают по различным схемам сезонной деятельности. При этом определенные периоды года высокого производства или реализации товара сменяются значительным спадом, вследствие чего они сталкиваются с проблемами неравномерности поставки газа, которые приводят к нестабильной работе предприятий, а иногда и к их банкротству. Кроме того, многие животноводческие и птицеводческие комплексы располагаются на значительном расстоянии от магистральных сетей газоснабжения, что также увеличивает затраты на приобретение и доставку других видов энергоносителей [48].

Одним из перспективных и эффективных направлений в энергообеспечении сельскохозяйственных предприятий является производство и применение альтернативного источника энергии - биогаза, получаемого в специальных биогазовых установках [12,32,41,50,51,74].

Применение биогазовых технологий позволяет сельскохозяйственным предприятиям не только получать энергетический продукт - биогаз, но также решить экологическую проблему утилизации органических отходов в виде навозных стоков и травы. Кроме того, в процессе получения биогаза происходит обезвреживание жидкого навоза и сохранение его как удобрения [12,76], что позволяет предприятиям вести более эффективную и стабильную хозяйственную деятельность за счет использования и реализации получаемых биологических удобрений.

Значительный вклад в развитие процесса получения биогаза внесли отечест-

венные ученые: Андрюхин Т.Я., Вавилин В.А., Гюнтер Л.И., Заварзин Г.А., Калюжный C.B., Ковалев А.А. и др., а также зарубежные ученые: Баадер В., Батштэ-ин Д.Ж., Виестур У.Э., Дубровские B.C., Конто Д.Е., Моно Ж, Панцхава Е.С., Хашимото А.Г., Чен Ю.Р.

Биогаз - это газообразный источник энергии, получаемый в результате анаэробной ферментации органических веществ различного происхождения и состава. Биогаз в основном состоит из метана (СН4) и углекислого газа (С02), а так же содержит незначительное количество других газов: сероводород (H2S), азот (N2), водород (Н2) [6,18-20,29,32,99]. Теплотворная способность 1 м биогаза составляет 20-25 МДж. Состав и основные свойства биогаза представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Состав и основные свойства биогаза

Показатели Компоненты Биогаз

СН4 С02 н2 H2S

Объемная доля, % 55-70 27-44 1 3 100

Теплота сгорания, МДж/м3 35,8 - 10,8 22,8 21,5

Пределы воспламенения при содержании с воздухом, % 5-15 - 4-80 4-445 6-12

Температура, °С: воспламенения 650-750 - 585 - 650-750

критическая -82,5 31,0 - 100 12,5

Критическое давление, МПа 4,7 7,5 1,3 8,9 7,5-8,9

Плотность г/л 0,72 1,98 0,09 1,54 1,2

Количество биогаза, образующегося при анаэробной ферментации зависит от состава исходного субстрата [20,92,119]. Органические отходы различного происхождения состоят из воды и сухих веществ, при этом сухое вещество включает органическую и неорганическую составляющие части (рис. 1.1).

Неорганическая часть субстрата (зола) содержит в своем составе землю, песок, камни, металлические и другие включения, которые являются балластом исходного материала.

Органическое вещество состоит из жиров, белков и углеводов [6,18,111].

Наибольшее количество биогаза выделяется из жиров - 1250 л из килограмма органического сухого вещества (ОСВ). Белки и углеводы дают всего лишь 700 л/кг ОСВ и 790 л/кг ОСВ соответственно.

Рисунок 1.1- Состав органических отходов Максимальное содержание метана в составе биогаза выделяется также из жиров - 850 л/кг ОСВ или 68% от общего количества биогаза. Из белков можно получить 490 л/кг ОСВ или 71%, в то время как углеводы дают только 395 л/кг ОСВ или 50% метана в газе (рис. 1.2) [119].

1250

Выход биогаза, л/кг ОСВ Выход метана, л/кг ОСВ

790

700

Жиры

Белки

Углеводы

Рисунок 1.2 - Влияние состава субстрата на выход биогаза и метана.

Таким образом, выход биогаза зависит от содержания в исходном субстрате жиров, белков и углеводов. Анализ работ отечественных и зарубежных исследователей [6,19,20,49,53,92,119] позволяет сделать вывод о том, что нет единого показателя выхода биогаза. Средние данные по выходу биогаза из различных видов субстратов представлены на рис. 1.3.

1200

1000

m

о

% 800

£ 600

о S (О

5 400

х л Ш

200 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Виды субстратов

Рисунок 1.3 - Выход биогаза из различных видов субстратов.

1 - твердый навоз КРС; 2 - жидкий навоз КРС; 3 - солома; 4 - содержание желудка свиней;

5 - куриный помет; 6 - жидкий свиной навоз; 7 - листья; 8 - содержание желудка жвачных;

9 - ботва свеклы; 10 - бытовые отходы; 11 - кукурузный силос; 12 - травяной силос;

13 - пивная барда; 14 - жир.

Процесс получения биогаза это биологическое разложение сложных органических соединений, происходящее в течение нескольких фаз, в результате воздействия различных групп бактерий (рис. 1.4). Согласно современным представлениям преобразование любого сложного органического вещества в биогаз проходит че-

рез четыре основные последовательные стадии: гидролиза, ацидогенеза, ацетоге-неза и метаногенеза [21,36,40,94,119,135,156], однако имеются работы [44,125], в которых рассматривается 5 стадий получения биогаза, при этом добавлена стадия

дезинтеграции.

Рисунок 1.4 - Схема анаэробного брожения.

На стадии дезинтеграции сложные клеточные образования распадаются на отдельные биополимеры: углеводы (30%), белки (30%), жиры (30%) и другие инертные газы (10%) [44].

Далее на стадии гидролиза комплекс высокомолекулярных органических веществ, включающих углеводы, белки и жиры подвергается ферментативной деградации с образованием аминокислот, моносахаридов и жирных кислот:

С6Н10О4+2Н2О->С6Н12О6+2Н2 (1.1)

Общая скорость гидролиза зависит от состава органических веществ и условий процесса - концентрации субстрата, площади контакта ферментов, температуры и кислотности среды [36]. Гидролиз является лимитирующим этапом процесса, так как последующие стадии анаэробного брожения не могут начаться, пока твердые нерастворимые вещества не перейдут в более простые мономеры, используемые микроорганизмами.

На стадии ацидогенеза образовавшиеся мономеры под действием кислотоген-ных бактерий превращаются в органические кислоты, спирты, альдегиды, аммиак, сероводород и диоксид углерода [8, 34]:

С6Н1206 <->2СН3СН20Н + 2С02 (1.2)

Ацидогенез обычно не лимитирует последующие стадии брожения, поскольку кислотегенные бактерии неприхотливы и растут с высокой скоростью. Но необходимо отметить, что быстро протекающая ацидогенная стадия может привести к накоплению жирных кислот, т.е. повышению кислотности, что является причиной прекращения роста бактерий последующих стадий.

Ацетогенез осуществляется двумя группами ацетогенных бактерий. Первая группа образует ацетат с выделением водорода из растворимых продуктов предшествующей стадии [34].

СН3СН2С00Н + 2Н20->СН3ССЮН + С02 +ЗН2, (1.3)

СН3СН2СН2СООН + 2НгО —> 2СН3СООН + 2Н2. (1.4)

Вторая группа ацетогенных бактерий приводит к образованию уксусной кислоты путем использования водорода для восстановления СОг [28]:

4Н2 + 2С02 -» СН3СООН + С02 + 2Н20 . (1.5)

На стадии метаногенеза метан образуется двумя основными способами - расщеплением ацетата и восстановлением диоксида углерода водородом. При этом первым способом образуется 64 % метана, вторым 26% [26]:

СН3СООН —» СН4 + С02; (1.6)

С02 + 4Н2 СН4 + 2Н20 .

(1.7)

Некоторые метаногены конвертируют в метан также формиат, метанол и метиламин [13]:

Известно более 30 видов метаногенов, но в процессе анаэробного брожения участвуют 5 основных групп: МеЛапоЬа^епит, МеШапососсш, МеЙшпоБртПит, МеЙшгкЛпх и МеЛапоБагста [13,26,28]. Метанообразующие бактерии предъявляют более высокие требования по сравнению с другими видами, так как они нуждаются в анаэробной среде и требуют более длительного времени для воспроизводства [10,13,22].

Для эффективного протекания процесса анаэробной ферментации необходимо соблюдение в биореакторе следующих условий и факторов [18-

- отсутствие кислорода в биореакторе;

- поддержание оптимальной температуры биомассы;

- продолжительность процесса брожения;

- соотношение азота и углерода и содержание питательных веществ;

- влажность биомассы и концентрация сухого органического вещества;

- степень разложения субстрата;

- перемешивание биомассы;

- соблюдение кислотно-щелочного баланса в биореакторе;

- отсутствие веществ-ингибиторов.

Основным условием процесса получения биогаза является соблюдение анаэробных условий в биореакторе, т.к. активная жизнедеятельность метанобразую-щих бактерий возможна только при отсутствии кислорода [8,10,19,35].

Одним из важнейших факторов процесса брожения является поддержание оптимальной температуры. Температура влияет на количество и качество получае-

4НСООН -> СН4 + ЗС02 + 2Н20, СН3ОН + Н2 СН4 + Н20, 4СН3ЫН2 + 2Н20—► ЗСН4 + С02 + 4ЫН3.

(1.8) (1.9) (1.10)

22,35,40,43,90,101,135,140]:

мого биогаза, а также на продолжительность процесса, так при повышении температуры время брожения сокращается. Известно, что образование биогаза происходит при температурах от 0 до 97 °С, но с учетом оптимизации процесса переработки органических отходов для получения биогаза и биоудобрений выделяют 3 температурных режима [6,20,49,94,140]:

- психрофильный режим, температура до 25°С

- мезофильный режим, от 25 С до 45°С

- термофильный режим, более 45°С.

Выход биогаза при работе в указанных температурных режимах представлен на рисунке 1.5.

мл/л произведенного газа из литра субстрата

15.000

10.000

5Л00 О

0 ;50 100 150

Время брожения (дней)

Рисунок 1.5 - Влияние температуры брожения на выход биогаза Психрофильный режим характеризуется большой длительностью процесса и, следовательно, малой производительностью. Кроме того, при понижении температуры бродильной массы ниже +15°С, микробиологическая активность падает, и процесс ферментации практически останавливается [19].

При термофильном режиме сбраживания скорость разложения субстрата увеличивается и выход биогаза повышается, а также происходит полное уничтожение болезнетворных бактерий, содержащихся в сырье. Однако, для поддержания

температуры в термофильном режиме требуется большие затраты энергии, а содержание горючей части биогаза (метана) в общем объеме снижается [119,161].

Несмотря на преимущества термофильного брожения, большинство установок работает в более эффективном мезофильном режиме, так как повышение температуры на один градус не обеспечивает прямо пропорционального прироста выхода метана [9].

Стоит отметить, что процесс ферментации очень чувствителен к перепадам температуры и зависит от режима, в котором происходит переработка сырья. Чем выше температура процесса, тем чувствительнее бактерии к ее колебаниям. Перепады температуры 2-4 °С не оказывают особого влияния на эффективность процесса в мезофильном режиме. В то же время при работе в термофильном режиме перепады не должны превышать 1 °С [18].

Важным параметром процесса получения биогаза является продолжительность процесса ферментации, которая зависит от температуры брожения, концентрации и вида субстрата и других факторов [22,55,90,167].

Для установок, работающих в непрерывном режиме, пользуются термином -гидравлическое время удержания (ГВУ, НЛТ). ГВУ (т, сут) это время нахождения сбраживаемого субстрата в реакторе, представляет собой отношение объема биомассы в реакторе к объему загружаемой биомассы за сутки:

г = - (1.11)

где V - объем биомассы в реакторе, м3; - доза суточной загрузки субстрата, м3/сут.

ГВУ является характеристикой, определяющей количество времени, необходимого для роста бактерий и преобразования органических веществ в биогаз. При очень малом времени брожения процесс ферментации протекает медленно или практически останавливается, т.к. метаболическая активность метанобразующих бактерий больше выбранной продолжительности процесса. Слишком продолжи-

тельное выдерживание биомассы не отвечает задачам получения наибольшего количества биогаза и биоудобрений за определенный промежуток времени.

Необходимо отметить, что по оптимальным значениям ГВУ имеются противоречивые данные. В более ранних работах [6,18] предлагаются следующие значения:

- психрофильный температурный режим: более 30 суток;

- мезофильный температурный режим: 10-20 суток;

- термофильный температурный режим: 5-10 суток.

Согласно последним представлениям оптимальные значения ГВУ составляют [9,92]:

- психрофильный температурный режим: 60-80 суток;

- мезофильный температурный режим: 30-50 суток;

- термофильный температурный режим: 15-25 суток.

Также необходимо учитывать тип разлагаемого субстрата, для различных видов навоза и помета ГВУ составляет 20-35 суток, для энергетических растений -более 42 суток.

Еще одним условием метанового брожения является соотношение углерода и азота в исходном субстрате (СЛЧ). Высокое соотношение СЛЧ является признаком высокой скорости потребления азота метаногенными бактериями и процесс может лимитироваться недостатком азота, а снижение этого соотношения вызывает интенсивное выделение аммиака, что приводит к ингибированию роста бактерий. Наибольший выход биогаза наблюдается при значениях СЛМ= 10-30, а оптимальная величина зависит от вида сырья [32,92].

Кроме углерода и азота, необходимо также требуемое количество органических и минеральных питательных веществ - азота, серы, фосфора, кальция, калия, магния и других микроэлементов. Известно, что отходы животных содержат достаточное количество вышеупомянутых элементов [6,39].

Также на эффективность процесса получения биогаза оказывает влияние влажность исходного субстрата или содержание сухого вещества. Так как только

из сухой массы, а точнее из ее органической части, можно получить биогаз, то исходный субстрат оценивают по содержанию абсолютно сухих веществ (АСВ) или органических сухих веществ (ОСВ) [28,53,135].

•э

Концентрация сухого органического вещества £ (кг/м ) определяется с учетом нагрузки на реактор по органическому сухому веществу и гидравлического времени удержания или продолжительности брожения.

Б = (1.12)

где с! - нагрузка на реактор по органическому сухому веществу, кг/(м3сут).

Таким образом, снижение влажности исходного субстрата при постоянной нагрузке увеличивает продолжительность сбраживания. При постоянной влажности уменьшение нагрузки ведет к снижению эффективности процесса из-за нехватки питательных веществ для роста бактерий, однако увеличение нагрузки также снижает выход биогаза вследствие накопления летучих жирных кислот [114].

Степень разложения характеризует процентное содержание органического сухого вещества, разложившееся за определенный промежуток времени. Максимальное количество биогаза можно получить при полном разложении ОСВ, однако для этого требуется большое количество времени. Кроме того, скорость разложения не постоянна, и после первых этапов ферментации начинает значительно снижаться, вследствие чего высокая степень разложения экономически не целесообразна. Поэтому в большинстве установок степень разложения находится в пределах 30-70%, с оптимальным значением 60%. При этом, необходимо учитывать, что при низкой степени разложения будут ухудшаться экологические характеристики перебродившего субстрата [119].

Для повышения эффективности процесса получения биогаза биомассу необходимо интенсивно перемешивать [58]. В большинстве отходов, являющихся исходным субстратом, имеются твердые частицы, которые находятся в виде осадка. Более легкие вещества поднимаются на поверхность биомассы и образуют корку, препятствующую выходу биогаза. Применение перемешивающих систем позволяют устранить эти проблемы и добиться стабильности процесса брожения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Суслов, Денис Юрьевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский и др. - 2-е перер. и доп. - М,: Наука, 1976.-280 с.

2. Альперт, Л.З. Основы проектирования химических установок: учебное пособие. - М.: Высш.шк.,1989. - 304 с.

3. Амерханов, P.A. Проектирование систем теплоснабжения сельского хозяйства: Учебник для студентов вузов по агроинженерным специальностям. Под ред. Б.Х. Драганова. - Краснодар, 2001. - 200 е.: ил.

4. Андрюхин, Т.Я. Биореактор: патент на изобретение. №2228583 Российская Федерация. 2004.

5. Андрюхин, Т.Я. Метантенк: патент на изобретение. №2226758 Российская Федерация-. 2004.

6. Баадер, В. Биогаз. Теория и практика / В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер -(Пер. с нем. и предисловие М.И. Серебряного) - М.: Колос, 1982, - 148 с , ил.

7. Бадмаев, Ю. Ц. Интенсивная технология анаэробной переработки навозных стоков свиноводства в условиях Республики Бурятия: автореф. дис...канд. техн. наук:05.20.01 / Бадмаев Юрий Цырендоржиевич. - Улан-Удэ, 2006. - 22 с.

8. Беккер, М.Е. Введение в биотехнологию. Пер. с латышского (Рига, 1974), 1978.

9. Биогаз на основе возобновляемого сырья. Сравнительный анализ шестидесяти одной установки по производству биогаза в Германии / Специальное агентство возобновляемых ресурсов (FNR) Хофплатц 1, 18276, Гюльцов, Германия. -2010.-115 с.

10. Биотехнология: Учеб. пособие для вузов. В 8 кн./Под ред. Н.С. Егорова, В.Д. Самуилова. Кн. 1: Проблемы и перспективы/Н.С. Егоров, A.B. Олескин, В.Д. Самуилов. - М.: Высш. шк., 1987. - 159 с: ил.

11. Биркин, С.М. Совершенствование технологии и технических средств утилизации навоза крупного рогатого скота: автореф. дисс... канд. техн. наук: 05.20.01 / Биркин Сергей Михайлович. - Волгоград, 2009. - 23 с.

12. Биркин, С.М. Обоснование применения биогазовых установок на животноводческих фермах и комплексах / С.М. Биркин, Н.М. Антонов // Вестник Крас-ГАУ. 2009. - №5. - С.156-158.

13. Блинов, В.А. Общая биотехнология: курс лекций. Ч.П. ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». Саратов, 2004. - 144 с.

14. Брагинский, J1.H., Бегачев, В.И., Барабаш, В.М. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета. - JL: Химия, 1984. -336 с.

15. Вавилин, В.А., Васильев, В.Б., Рытов, С.В. Применение имитационной модели «метан» для изучения анаэробной деградации органического вещества. Журнал общей биологии. - 1995. - Т. 56. - №5. - С. 588-601.

16. Василов, Р.Г. Перспективы развития производства биотоплива в России. Сообщение 3: биогаз // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова. - 2007. - Т. 3. - № 3. - С. 54-61.

17. Васильцов, Э.А. Ушаков, В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред: Справочное пособие. - Д.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. - 272 е., ил.

18. Веденеев, А.Г., Веденева, Т.А., ОФ «Флюид». Биогазовые технологии в Кыргызской Республике. - Б. Типография «Евро», 2006. - 90 с.

19. Веденеев, А.Г., Веденева, Т.А. - Б.: Руководство по биогазовым технологиям. - «ДЭМИ», 2011. - 84 с.

20. Велез, Д. Обоснование технологических параметров биогазовых станций по анаэробной переработке навоза ферм крупного рогатого скота: дисс... канд. техн. наук: 05.20.01 / Велез Деже. - Москва, 1984. - 133 с.

21.Виестур, У.Э. Биотехнология: Биологические аспекты, технология, аппаратура/ У.Э. Виестур, И.А. Шмите, A.B. Жилевич. - Рига: Зинатне, 1987. - 263 с.

22. Виестур, У.Э. Системы ферментации / У.Э. Виестур, A.M. Кузнецов, В.В. Савенков. - Рига: Зинатне, 1936. - 174 с.

23. Вильданов, Ф.Ш. Успехи развития мировой биогазовой индустрии / Ф. Ш. Вильданов, Ф. Н. Латыпова, Р. Р. Чанышев, С. В. Николаева // Башкирский химический журнал. 2011. - Т. 18. - №1. - С. 29-36.

24. Винаров, А.Ю. Оптимизация технологического проектирования биотехнологических систем / А.Ю.Винаров, Е.А. Семенова // Биотехнология. - 1987. - Вып. 1. - С. 90-96.

25. Водянников, В.Т. Технико-экономическая характеристика перспективных направлений развития энергетики АПК / В.Т. Водянников, А.В Шахов // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. - 2009. - №8/1. - С. 23-26.

26. Волова, Т.Г. Биотехнология / Т.Г. Волова. - Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 1999. - 252 с.

27. Гельперин, Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах. - М.: Химия, 1981. - 812 е., ил.

28. Гюнтер, Л.И. Метантенки / Л.И. Гюнтер, Л.Л. Гольдфраб - М,: Стройиздат, 1991.- 128 е., ил.

29. Гюнтер, Л.И. Тенденции в развитии метанового сбраживания органических отходов / Л.И. Гюнтер, З.М. Кольцова. // ВСТ: Водоснабж. И сан. Техн. -Haustechn. - 1993. - №9. - С. 13-15.

30. Дворецкий, Д.С. Компьютерное моделирование биотехнологических процессов и систем: Учебн. Пособие / Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, Е.И. Муратова, A.A. Ермакова. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, - 2005. - 80с.

31. Дмитриенко, Ю.М., Захорански, Р., Фисенко, С.П. О выравнивании концентрации скалярной примеси в приточной камере. // Инж.-физ. журнал, 2004. -Т. - 77. - №5. - С. 3-9.

32. Дубровский, B.C. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов / B.C. Дубровский, У.Э. Виестур. - Рига: Зинатне, 1988, - 134 с.

33. Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Изд. 2-е. В 2-х кн. - М.: Химия, 1995. - 400 е.: ил.

34. Блинов, Н.П.Основы биотехнологии. Издательская фирма «Наука» СПБ 1995 г.-600 с.

35. Заварзин, Г.А. Микробный цикл метана в холодных условиях. - Природа, 1995. - №6.-С. 3.

36. Заварзин, Г.А. Трофические связи в метаногенном сообществе // Известия АН СССР. Сер. Биологическая. - 1986. - №3. - С.341-360.

37. Зайчик, Л.И., Козелев, М.В., Першуков, В.А. Расчет турбулентных газодисперсных течений в каналах с зонами рециркуляции // Изв. РАН. МЖГ. -1994. -№ 4.

38. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/ Под ред. М.О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение. - 1992. - 672 с.

39. Ильин, С.Н. Ресурсосберегающая технология переработки свиного навоза с получением биогаза: дис...канд.техн.наук: 05.20.01/ Ильин Сергей Николаевич. -Иркутск, 2005.- 171 с.

40. Имад Саад, С. Б. Разработка мероприятий по повышению эффективности использования биогаза в условиях Республики Судан: дис... канд. техн. наук: 05.20.01 / Имад Саад Саиед Белаль. - Москва, 2007. - 188 с.

41. Индивидуальная биогазовая установка. Осадчий Г.Б. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.zol.ru/review/show.php?data=88332 &time =1363666396. -Яз.рус. - (Дата обращения 23.06.2013).

42. Иоффе, И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии.: Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991. - 352 е., ил.

43. Калюжный, СВ. Биогаз: проблемы и решения / СВ. Калюжный, А.Е. Пузанков, С.Д. Варфоломеев // Биотехнология Т.21. - М., 1988. - 180 с.

44. Калюжный, C.B. Высокоинтенсивные анаэробные биотехнологии очистки промышленных сточных вод // Катализ в промышленности. - 2004. - №6. - С.42-50.

45. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 753 с.

46. Кафаров, В.В., Винаров, А.Ю., Гордеев, JI.C. Моделирование биохимических реакторов / М., Лесная пром-сть, 1979. - 344 с.

47. Кафаров, В.В., Глебов, М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств: Учеб. пособие для вузов. -М.: Высш. шк., 1991.-400 с.

48. Кнорр, А. Газоснабжение сельскохозяйственных товаропроизводителей в современных условиях. Газовый бизнес. - 2009, январь-февраль.

49. Ковалев, A.A. Технологии и технико-энергетическое обоснование производства биогаза в системах утилизации навоза животноводческих ферм: дис... д-ра техн. наук: 05.14.08 / Ковалев Александр Андреевич. - М., 1998. - 244с.

50. Ковалев, A.A. Эффективность производства биогаза на животноводческих фермах//Техника в сельском хозяйстве. -2001. - №3. - С.30-33.

51. Кондауров, П.П. О целесообразности производства и использования биогаза в замкнутом цикле обработки отходов сельхозпредприятий с утилизацией побочного продукта анаэробной ферментации. П.П. Кондауров, Е.Е. Мариненко. Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. 2006, прил.№10, - С. 105-110.

52. Кондауров, П.П. Газоснабжение сельскохозяйственных предприятий с использованием альтернативного источника энергии биогаза в замкнутом цикле обработки и утилизации отходов: автореф. дис... канд. техн. наук: 05.23.03/ Кондауров Павел Петрович. - СПб, 2007. - 21 с.

53. Корзникова, М.В. Стратегические аспекты устойчивого управления отходами животноводства и птицеводства в целях минимизации неготивного воздействия на окружающую среду: дис...канд.техн. наук: 03.00.16 / Корзникова Мария Васильевна. — Москва, 2006. - 137 с.

54. Корячко, В.П., Курейчик, В.М., Норенков, И.П. Теоретические основы САПР. Москва: Издательство «Энергоатомиздат», 1987. -400 с.

55. Костромин, Д.В. Анаэробная переработка органических отходов живтно-водства в биореакторе с барботажным перемешиванием: дис... канд. техн. на-ук:05.20.01/Костромин Денис Владимирович. - Йошкар-Ола, 2010. - 183 с.

56. Костромин, Д.В. Биогазовая установка для исследования каталитических и барботажных процессов при анаэробной переработке органических отходов в АПК / Д.В. Костромин, A.A. Медяков, Р.В. Яблонский // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. - №2(26). - С. 1-5.

57. Кутателадзе, С.С., Стырикович, М.А. Гидродинамика газожидкостных систем / С.С. Кутателадзе, М.А. Старикович. Изд-во 2-е перераб. и доп. М.: Энергия, 1976.-296 с.сил.

58. Кущев, JI.A. Интенсивная технология переработки органических отходов в биореакторах барботажного типа/ JI.A. Кущев, Д.Ю. Суслов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2011. - № 1. - С.40-42.

59. Кущев, JI.A. Математическое моделирование процесса получения биогаза при переработке органических отходов / JI.A. Кущев, Д.Ю. Суслов, А.И. Алифа-нова, Н.Ю. Никулин // Экология и промышленность. - 2011. №3. С. 59-61.

60. Кущев, JI.A. Расчет системы перемешивания биореакторной установки получения биогаза/ JI.A. Кущев, Д.Ю. Суслов, Г.Л. Окунева, В.И. Городов // Инновационные материалы и технологии: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф., Белгород, 11-12 окт. 2011 г./ Белгор. гос. технол. ун-т. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011.-4.1.-С. 296-300.

61. Кущев, Л.А. Моделирование процесса получения биогаза в биореакторах барботажного типа / Л.А. Кущев, Г.Л. Окунева, Д.Ю. Суслов, A.A. Гравин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2011. - № 9. - С.28-31.

62. Лабутин, А.Н., Волкова, Г.В. Технологические процессы и производства как объекты управления : учебное пособие / Иван. гос. хим. - технол. ун-т.; Иваново, 2010.-96 с.

63. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теоретическая физика. - Издание 5-е. -2006. - Т. VI. Гидродинамика. - 736 с.

64. Левич, В.Г. Физико-химическая гидродинамика. - М.: Физматгиз, 1959. -700 с.

65. Литовка, Ю.В. Получение оптимальных проектных решений и их анализ с использованием математических моделей / учебное пособие /Ю.В. Литовка. -Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. - 160 с.

66. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. для вузов. - 7-е изд., испр. - М.: Дрофа, 2003. - 840 с.

67. Марченко, Д.Б. Обоснование технологических и конструктивных параметров оборудования для получения органического удобрения и биогаза из птичьего помета: автореф. дис...канд. техн. наук: 05.20.01 / Марченко Дмитрий Борисович. - Омск, 2009. - 25 с.

68. Машины и аппараты химических производств: Учебник для вузов по специальности «Машины и аппараты химических производств и строительных материалов»/ И.И. Поникаров, O.A. Перелыгин, В.Н. Доронин, М.Г. Гайнуллин. - М.: Машиностроение, 1989. -368 е.: ил.

69. Методика расчета выделений (выбросов) загрязняющих веществ в атмосферу от животноводческих комплексов и звероферм. Санкт-Петербург. - 1997.

70. Михеев, М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева - М.: Энергия, 1977.-344 с.

71. Налимов, В.В., Чернова, H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. - М.: Наука, 1965. - 340 с.

72. Нащокин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. пособие для неэнергет. спец. вузов. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., 1980. -472 с.

73. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. Учебник для вузов: В 2 книгах / В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носов и др.: Под ред. проф. В.Г. Айнштейна. М.6 Химия, 1999 - 888 е.: ил.

74. Орлова, Ю.А. Применение биогазовых станций для энергоснабжения производственных систем / Ю.А. Орлова // Вестник МГТУ «Станкин». - 2013. -№1(19).-С. 44-46.

75. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для ВУЗов / Под ред. Чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. И доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

76. Панцхава, Е.С. Биогаз - возобновляемый вид топлива и энергии. // Теплоэнергетика. - 1982. - № 9. - С. 35-37.

77. Панцхава, Е.С., Кошкин Н.Л. Биоэнергетические установки по конверсии органических отходов в топливо и органические удобрения. // Теплоэнергетика. -1993.-№4.-С. 20-23.

78. Панцхава, Е.С., Шипилов М.М., Пауков А. П., Ковалев Н.Д. Биогаз - высокорентабельное топливо для всех регионов России. «Новости теплоснабжения». -№1.-2008.

79. Пармухина, Е. Биогаз: делаем деньги из отходов производства // Persona Grata. - 2011. - №12. - С. 35-41.

80. Паспорт №4 качества газа магистрального газопровода Шебелинка-Брянск-Курск-Белгород, апрель 2011 г.

81. Плановский А.И., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. — 848 с. с ил.

82. Пластинин, П.И. Поршневые компрессоры. Том 1. Теория и расчет. - 3-е изд., доп. - М.: КолоС, 2006. - 456 е.: ил.

83. Поршневые компрессоры: Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «Холодильные и компрессорные машины и установки» / Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин; Под общ. ред.Б.С. Фоти-на. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. - 372 е.: ил.

84. Постановление Правительства Белгородской области «Об утверждении Концепции развития биоэнергетики и биотехнологий в Белгородской области на 2009-2012 годы». Белгород. - 2009 г.

85. Постановление Правительства Российской Федерации. О Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы: утвержден постановлением Правительства от 14 июля 2012 г. №717.

86. Постановление Правительства Российской Федерации. О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, размещение отходов производства и потребления: утвержден постановлением Правительства от 12 июля 2003 г. №344.

87. Практическое руководство для сельскохозяйственных предприятий по охране окружающей среды / В.Н. Афанасьев, П.А. Суханов, A.B. Афанасьев, Д.А. Максимов, А.Ю. Перцович. / Под ред. В.Н. Афанасьева. - СПб.: СЗНИИМЭСХ. 2005.-272 с.

88. ПРООН (1998), Энергетический сектор в Грузии. ПРООН, Тбилиси.

89. Разработка САПР. В 10 кн. практ. пособие (под ред. A.B. Петрова). - М.: Высшая школа, 1990.

90. Ратушняк, Г.С., Джеджула, В.В. 1нтенсифшащя бюконверсп коливальним перем1шуванням субстрату: Монограф1я. - Вшниця: УНШЕРСУМ-Вшниця, 2008. -117с.

91. Райст, П. Аэрозоли. Введение в теорию. - М.: Мир, 1987. - 280 с.

92. Руководство по биогазу. От получения до использования / Специальное агентство возобновляемых ресурсов (FNR). Район Гюльцов Хофплатц 1, 18276 Гюльцов-Прюцен Германия- 2010. - 213 с.

93. Саутин, С.Н. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. Д., «Химия», 1975. - 48 с.

94. Свалова, М.В. Обоснование и разработка технологического процесса утилизации отходов птицеводства с использованием биогазовых установок: дис...канд. техн. наук: 05.20.01 / Свалова Марианна Викторовна. - Ижевск, 2009. - 171 с.

95. Соколов, В.Н., Доманский, И.В. Газожидкостные реакторы. Л., «Машиностроение» (Ленингр. Отд-ние), 1976. -216 с.

96. СП 42-101-2003 Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб. Система нормативных документов в строительстве, свод правил по проектированию и строительству. ЗАО «ПОЛИМЕРГАЗ». - Москва, 2003.

97. Стренк, Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Польша, 1971. Пер. с польск. под ред. Щупляка И. А. - Л.: Химия., 1975. - 384 с.

98. Страуструп, Б. Язык программирования С++. Москва: Издательство «Бином», 1999.-990 с.

99. Суслов, Д.Ю. Использование биогаза в качестве топлива для получения энергии / Д.Ю. Суслов, Л.А. Кущев // Академический журнал Западной Сибири. -2009.-№1.-С. 32-33.

100. Суслов, Д.Ю. Разработка технологической схемы интенсификации процесса получения биогаза при утилизации органических отходов / Д.Ю. Суслов, Л.А. Кущев // Сборник научно-исследовательских работ аспирантов финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности. г. Новочеркасск, октябрь 2010 г. / Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). - Новочеркасск: Лик, 2010. - с.260-264.

101. Суслов, Д.Ю. Биогазовые технологии - современный способ переработки органических отходов / Д.Ю. Суслов, Л.А. Кущев // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2010. - № 5. - С.44-46.

102. Суслов, Д.Ю. Пат. 2430153 Российская Федерация, МПК С12М 1/04. Биореактор, [Текст], Суслов Д.Ю., Кущев Л.А.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (БГТУ им. В.Г. Шухова) (RU). - №2009139543; заявл. 26.10.2009; опубл. 27.09.2011, Бюл. №27. - 6с. : ил.

103. Суслов, Д.Ю. Пат. 96118 Российская Федерация, МПК C05F 17/00. Биореактор барботажного типа [Текст]/ Суслов Д.Ю., Кущев J1.A., Никулин Н.Ю.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (БГТУ им. В.Г. Шухова) (RU). -№2010109546 ; заявл. 15.03.2010; опубл. 20.07.2010, Бюл. №20. -5с. : ил.

104. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции: Учеб. Пособие для вузов. - М: Стройиздат, 1979. - 295 е., ил.

105. Твайделл, Дж., Уэйр, А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ.

- М.: Энергоатомиздат. 1990. - 392 е.: ил.

106. Тур, A.A. Научные основы расчета основных и вспомогательных барбо-тажных реакторов технологических блоков: автореф. дис...док. техн. наук: 05.17.08 / Тур Анатолий Александрович. - Ангарск, 2006. - 40с.

107. Ужов, В.Н., Вальдберг, А.Ю., Мягков, Б.И. и др. Очистка промышленных газов от пыли. М.: Химия, - 1981. - 392 с.

108. Финни, Д. Введение в теорию планирования эксперимента. - М.: Наука, 1970-287 с.

109. Фирсов, Д.К. Метод контрольного объёма на неструктурированной сетке в вычислительной механике // Учебное пособие. - Томск: ТГУ, 2007. - 72 с.

110. Фрэнке, Р. Математическое моделирование в химической технологии. Издательство «Химия», М., 1971 г. - 272 с.

111. Хажмурадов, М.А., Карнацевич, Л.В., Колобродов, В.Г., Воробьева, В.П.

- Повышение качества биогаза: достижения и перспективы. ХФТИ. - 2007.

112. Хикс, И. Основные принципы планирования эксперимента. - М.: Мир, 1967-406 с.

113. Холланд, Ф., Чапман, Ф. Химические реакторы и смесители для жидко-фазных процессов. Пер. с англ. под ред. Ю.М. Жорова. м., «Химия», 1974 - 208 с.

114. Чернышев, А.А. Совершенствование биогазовых установок для производства удобрений из навоза КРС: дисс. канд. техн. наук: 05.20.01 / Чернышов Анатолий Анатольевич. - М., 2004. - 118 с.

115. Шаптала, В.Г. Моделирование и оптимизация обеспыливания производственной воздушной среды // Известия вузов. Северо-кавказ. регион, технические науки. - 2003. Спецвыпуск: Математическое моделирование и компьютерное технологии. С. 117-120.

116. Шеина, О.А. Биохимия процесса производства биогаза как альтернативного источника энергии / О.А. Шеина, В.А. Сысоев // Вестник ТГУ, т. 14, вып.1, -2009. - С. 73-76.

117. Шенк, X. Теория инженерного эксперимента. - М.:Мир, 1972. - 387с.

118. Шрайбер, А.А., Гавин, Л.Б., Наумов, В.А., Яценко, В.П. Турбулентные течения газовзвеси. Киев: Наук. Думка, 1987. - 240 с.

119. Эдер, Б. Биогазовые установки, практическое пособие / Б.Эдер, X. Шульц. 1996. Перевод с немецкого Zorg Biogas в 2008 г.

120. Abdurahman, N.H., Y.M. Rosli, N.H. Azhari, S.F.Tam, 2011. Biomethanation of Palm Oil Mill Effluent (POME) by Membrane Anaerobic system (MAS) using POME as a Substrate. World Academy of Science, Engineering and Technology, 75, 419-424.

121. Andara, A. R., and J.M.L. Esteban., 1999. Kinetic study of the anaerobic digestion of the solid fraction of piggery slurries. Biomass and Bioenergy, 17: 435-443.

122. Andrews, J.F., 1971. Kinetic models of biological waste treatment processes. Biotechnol. Bioengng. Symp., 2, 5-33.

123. Axaopoulos, P., Panagakis, P., Tsavdaris, A. and Georgakakis, D., 2001. Simulation and experimental performance of a solar-heated anaerobic digester. Solar Energy Vol. 70, No. 2, pp. 155-164.

124. Axelsson, K. Interviewed October 27, 2006, Phone Interview.

125. Batstone, D. J., Keller, J., Angelidaki, I., Kalyuzhnyi, S. V., Pavlostathis, S. G., Rozzi, A., Sanders, W. Т. M., Siegrist, H., Vavilin, V. A., 2000. The IWA Anaerobic

Digestion Model No 1 (ADM1). Water Science and Technology. Vol. 45, No.10, 6573.

126. Biogas production in Germany. Daniel de Graaf, Roland Fendler. Federal Environment Agency. Dessau-Rosslau, January 2010.

127. Berglund, M., 2006. Biogas production from a system analytical perspective. Department of Technology and Society. Lund, Faculty of Engineering at Lund University.

128. Biogas Plants. Engineering, Construction, Operation, Optimization. The sustainable and intelligent way of producing renewable energy and managing waste. Krieg & Fischer Ingenieure GmbH.

129. Boyle, W. C., 1977. Energy Recovery from Sanitary Landfills. In: Microbial Energy Conversion. Edited by: H. G. Schlegel & J. Barnea, 119-138.

130. Brolin, L., Thyselius, L. & Johansson, M. A feasibility study of biogas production from energy crops (in Swedish). 72 p., JTI-Rapport 97, Jordbruksteknista Institutet, Uppsala.

131. Buswell, A. M., Mueller, H. F., 1952. Mechanism of Methane Fermentation. Industrial and Engineering Chemistry. Vol. 44, No. 3, 550 - 552.

132. Chen, Y. R., Hashimoto, A. G., 1978. Kinetics of Methane Fermentation. Biotechnology and Bioengineering Symposium. No. 8, 269 - 282.

133. Chukanov I., Baykov B., Zaharinov B., Marinova N. and Popova I., 2005. Application of mathematical models optimization of the methane fermentation of fowl dung. ISAH 2005 - Warsaw, Poland, Vol 2: 251-254.

134. Contois, D.E., 1959. Kinetic of bacterial growth, relationship between population density and specific growth of continuous cultures. Journal of General Microbiology 21, 40-50.

135. Cook, E. J., 1986. Anaerobic sludge digestion: Manual of practice No. 16. Alexandria VA: Water pollution control federation: Task force on Sludge stabilization.

136. Dansk Bioenergi. «Dansk Bioenergi» 87. Retrieved November 3, 2006.

137. EurObserver 2006. «Biogas Barometer». Systemes Solaires,172: 45-55.

138. Fischer, T., Backes, K., 2007. Biogas production from gut contents and low value offal. Ninth International Symposium on World Rendering. 97-103.

139. Jewell, W.J. et al., 1978. Anaerobic fermentation of agricultural residue: Potential for improvement and implementation - Final Report. Technical Report EY-76-S-02-2981-7, Cornell University/US Department of Energy.

140. Hashimoto, A. G., 1981. Anaerobic fermentation of beef cattle manure: final report / A.G. Hashimoto, Y.R. Chen, V.H. Varel. Golden, Colo.: Solar Energy Research Institute; Springfield, Va. : Available from N.T.I.S.

141. Hashimoto, A. G., 1982. Methane from Cattle Waste: Effects of Temperature, Hydraulic Retention Time, and Influent Substrate Concentration on Kinetic Parameter. Biotechnology and Bioengineering. Vol. 24, 2039 - 2052.

142. Hill, D. T., 1982. A Comprehensive Dynamic Model for Animal Waste Methanogenesis. Transactions of the ASAE. 1374- 1380.

143. Hobbs, P. J., Johnson, R., Chadwick, D., 1999. A novel technique to determine organic processes in pig waste. Journal of the Science of Food and Agriculture. 79: 199205.

144. Kalyuzhnyi, S., Veeken, A.H.M., Hamelers, B.V.M., 2000. Twoparticle model of anaerobic solid state fermentation. Water Sci. Technol. 41 (3), 43-50.

145. Karim, K., Klasson, K. T., Hoffmann, R., Drescher, S. R., DePaoli, D. W., and Al-Dahhan, M. H., 2005. Anaerobic digestion of animal waste: Effect of mixing. Bioresource Technology, 96(14), 1607-1612.

146. Karim, K., Klasson, K.T., Drescher, S.R., Ridenour, W., Borole, A.P. and Al-Dahhan, M.H., 2007. Mesophilic digestion kinetics of manure slurry. Appl Biochem Biotechnol 142: 231-242.

147. Kaparaju, P., Buendia, I., Ellegaard, L., and Angelidaki, I., 2007. Effects of mixing on methane production during thermophilic anaerobic digestion of manure: Lab-scale and pilot-scale studies. Bioresource technology. Vol. 99: 4919-4928.

148. Kaparaju, P., Luostarinen, S., Kalmari, E., Kalmari, J. and Rintala, J., 2002. Codigestion of energy crops and industrial confectionery by-products with cow manure: Batch scale and farm-scale evaluation. Wat. Sci. Technol. 45: 275-280.

149. Krzystek, L., Ledakowicz, S., Kahle, H-J., Kaczorek, K., 2001. Degradation of household biowaste in reactors. Journal of Biotechnology, 92, 103-112.

150. Lehtomaki, A. Biogas in Finland - Situation Report. IEA Bioenergy Task 37 Energy from Biogas and Landfill Gas. 13-15 April 2011, Istanbul, Turkey.

151. Lidholm, O., Ossiansson, E. Modeling Anaerobic Digestion. Water and Environmental Engineering. Department of Chemical Engineering. Lund University. November 2008.

152. Linke, B. Biogas plants in Germany - experiences in implementation and processing. Biogas Produktion im Landwirtschaftssektor, 9. Oktober 2009, Posnan.

153. Linke, B. Country Report Germany. IEA Bioenergy Task 37, Istanbul, April 13 - 15,2011.

154. Minott, S.T., 2002. Feasibility of fuel cells for energy conversion on the dairy farm. Thesis. Cornell University, Ithaca, NY.

155. Mshandete, A. M., Parawira, W. Biogas technology research in selected sub-Saharan African countries - A review. African Journal of Biotechnology Vol. 8 (2), pp. 116-125, 19 January, 2009.

156. Nayono, S.E., Anaerobic digestion of organic solid waste for energy production. Karlsruher Institut fur Technologie (KIT) KIT Scientific Publishing Stra.e am Forum 2 D-76131 Karlsruhe.

157. OPEN FVM-Flow. Reference Manual.

158. Renewable energy in the U.S. Biogas. Swedish Trade Council, USA January, 2008.

159. Restats. «Statistic database for the United Kingdom». Retrieved 2006-10-25.

160. Rizk, M.A., Elghobashi, S.E., 1989. A two-equation turbulence model for dispersed dilute confined two-phase flows/ Int. J. Multiphase, v. 15. № 1. - p. 119-133.

161. Ros, M., Zupancic, G. D., 2003. Thermophilic anaerobic digestion of waste activated sludge. Acta Chim. Slov. 50, 359-374.

162. Safely, L.M., P.W. Westerman, 1992. Performance of a low temperature lagoon digester. Bioresource Technology., 41: 167-175.

163. Sasse, L. Biogas Plants. A Publication of the Deutsches Zentrum fiirb Entwicklungstechnologien - GATE in: Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) GmbH - 1988.

164. Vavilin, V.A., Lokshina, L.Ya., Jokela, J.P.Y., Rintala, J.A., 2004. Modeling solid waste decomposition. Bioresource Technology. 94, 69-81.

165. Vavilin, V.A., Rytov, S.V., Lokshina, L.Y., Pavlostathis, S.G., Barlaz, M.A., 2003. A distributed model of solid waste anaerobic digestion: effect of leachate recurculation and pH adjustment. Biotechnol. Bioeng. 81, 66-73.

166. Weiland, P., 2003. Production and energetic use of biogas from energy crops and wastes in Germany. Appl. Biochem. Biotechnol. 109: 263-274.

167. Wellinger, A., 1999. Process design of agricultural digesters. Ettenhausen, November. 28 p.

Лвтор(ы): см. на обороте

Заявка №2009139543

Приоритет изобретения 26 октября 2009 г.

Зарегистрировано в Государственном реестре и.юбретений Российской Федерации 27сентября 2011 г. Срок действия патента истекает 26 октября 2029 г.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам

Б.П. Симонов

НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

№ 2430153

БИОРЕАКТОР

Патентообладатель(ли): Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" (БГТУ им. В.Г. Шухова) (М)

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19) цу(П)

2 то 153Ш) €2

(51) МПК

С12М 1/04 (2006.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛ ЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ. ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ:

С") ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

(21X22) Заявка: 2009139543/13, 26,105«)?

(24) Дата иачалаотсчетасрокадейсгвия патента: 26,10.2009

Приоритеты):

(22) Дата подачи заявки: 26.10.2009

(43) Дата публикации заявки: 10.05.201! Бгол. №.13

(45) Опубликовано: 27.09.2011 Бюл.№ 27

(56) Список документов, цитированных а отчёте » поиске: Эи 1708829 А1,30.01.1992. ни 2226758 С1.20.04.2004. ви 302360 А1,01.01.1971.

Адрес для переписки:

308012, г.Белгород, ул. Костюкова, 46, БГГУ

>В;1\:Щ^ова,< отдепсоздаяия иоценки объектов интеллектуальной собственности

(72) Автор(ы):

Суслов Денис Юрьевич (КЦ), Кущев Леонид Анатольевич (ЯЦ)

(73),Патентообладателей): Государстве нноеобразовательное учреждение высшегопрофессионального образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" (БГТУ им. В.Г. Шухова) 0Ш)

7} С

м ы

<п и

О

N1

(^);БИ6РЁАКТОР

(57) Формула изобретения Биореактор, содержащий корпус с технологическими патрубками, размещенную в центре корпуса циркуляционную трубу и расположенную под ней равномерно перфорированную трубу в виде вертикальной,спирали, витки которой образуют конус, обращенный основанием вверх, причем диаметр верхнего витка спирали равен внутреннему диаметру циркуляционной трубы и расположен на уровне нижнего среза этой трубы, отличающийся тем, что циркуляционная труба выполнена в виде цилиндрической емкости, состоящей из двух труб различного диаметра, пространство между которымизаполненолодогреваемойводойдля подогрева биомассы.при этом технологические патрубки включают патрубок для подачи перерабатываемой биомассы, расположенный в верхней части корпуса, и патрубок слива удобрения, расположенный в нижней части корпуса.

>Стр4 1

УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор*

АКТ

о внедрении резулыа юв диссертационной работы Суслова Дениса Юрьевича

От ЗАО «Корочанский плодопитомник»-

Городов Д.В. - заместитель генерального директора

Фоменко C.B. — начальник цеха по переработке отходов

От БГТУ им. В.Г. Шухова:

Кущев Л.А. - профессор

Суслов Д Ю. - старший преподаватель

Мы нижеподписавшиеся, соаавили наооящий aki о гом, что научная разработка профессора Кущева ЗЪА. и старшего преподавателя Суслова Д.Ю. биореактор, оснащенный системой перемешивания барботажного типа, основные элементы которого защищены патентом РФ на изобретение №2430153 опубл. 27.09 2011, внедрена в производство ЗАО «Корочанский плодоп итомп ик».

Рсзулыаты испытаний 1 [роизводи гел ыюсть по исходному субс грагу 30-40 м3/сутки

Выход биогаза Общий объем биорсактора Рабочий объем биореактора Выход готового продукта

1200 м3/сут 1300 м3 * 1200 м3 3300 кг/сутки

Вид исходного субстрата свиной навоз

'I смпсрагуртили режим мезофильный (33-35 °С)

Продолжительность брожения 30 суток

Расчетный юдовОй экономический эффект- от внедрения биогазовой ус1ановки с биореактором барботажного типа составил 9 671,7 тыс. руб.

Методика инженерного расчёта й программный комплекс расчета основных 5конс 1 рук I ивно-1 ехнологичсских параметров биореактора с барботажным перемешиванием использовались при проектировании биогазовощ комплекса,для переработки ор! эпических огходов.

Выводы:

1. <Данная усшно^вка позволяв повысив выход биогаза за счет применения, сис! емы барботажного перемешивания биомассы.

2. Применение установки позволяет решшь экологическую проблему утилизации огходов АПК и получить высококачественные биоудобрения.

3 Разработанную методику раечега биорсакгоров можно рекомендовать для практического применения при проектирования биогазовых установок.

Д.В. Городов С В. Фоменко Л.А. Кущев Д.Ю. Суслов

163) ^

УТВЕРЖДАЮ Первый проректор У им. В.Г. Шухова

аповалов Н.А. 2013 г.

о внедрении в учебный процесс матерй&яш диссертационной работы

старшего преподавателя кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Суелова Дениса Юрьевича

Комиссия в составе:

члены комиссии: д.т.н., проф. Логачев И.Н., д.т.н., проф. Ильина Т.Н.

составили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы ст. преподавателя Суслова Д.Ю. «Получение биогаза в биореакторе с барботажным перемешиванием»: экспериментальная установка получения биогаза с биореактором, оснащенным системой перемешивания барботажного типа и инженерная методика расчетов используются при проведении лекционных, лабораторных и практических занятий, курсовом и дипломном проектировании для студентов специальности 270109 -«Теплогазоснабжение и вентиляция», бакалавриата и магистратуры направления «Строительство» при изучении дисциплин: «Газоснабжение», «Системы промышленного газоснабжения», «Основы научных исследований» и «Природные и искусственные источники газоснабжения, перспективы их использования».

председатель: д.т.н., проф. Уваров В.А., зав. кафедрой ТГВ

к.т.н., доц. Феоктистов А.Ю.

Председатель комиссии Члены комиссии: