Альтернативная топлива – проблема, решения, экология

Альтернативная топлива – проблема, решения, экология
Имомов Ш.Ж., к.т.н. Ташкент
ТИИМ, ул. К.Ниязов, 39
Приведены использование нетрадиционных источников энергии, в том числе и энергии
органической биомассы. Дальнейшее развитие современной материально-технической
базы производства биологического газа и представление о сырьевых ресурсах,
необходимых для производства биогаза, исходя из количества отходов от домашних
животных и птиц в разных странах мира, а также разработан методика определения
количества биогаза, производимого от экскрементов животных на фермах.
Значительное место мировой практике по возобновляемым источником энергии
занимает техническая биоэнергетика, биоконверсия природных, городских, а также
животноводческих отходов и защита окружающей среды от загрязнения.
Уменьшением запасов природных жидких и твердых ископаемых —
источников энергии часть биомассы придется использовать в качестве сырья для
процессов химического синтеза и биотехнологии, однако маловероятно, что этот вид
ресурсов сыграет в обозримом будущем существенную роль в обеспечении народного хозяйства энергией. Следует оценивать как локальное экологическое, природоохранное
мероприятие, одновременно улучшающее энергетический баланс данного поселения.
При
этом
имеется
возможность
организовать безотходное производство
животноводческой продукции в больших комплексах, так как твердая и жидкие фракции
продуктов брожения безвредны для окружающей среды.
Возвращаясь к проблемам конверсии продуктов фотосинтеза, необходимо
напомнить следующие известные схемы:
1) фракционирование — получение целлюлозы и ее производных, бумаги,
волокон,
сульфатных
и
сульфитных
щелоков,
лигнина,
водных экстрактов, химикатов, биопродуктов.
2) пиролиз с получением угля, нефтеподобных продуктов, газа;
3) газификация,
получение
Н2,
NH4,
метанола,
формальдегида,
метана, углеводородов;
4) осахаривание (гидролиз, предобработка) — получение глюкозы, мелассы,
ксилозы, фурфурола, лигнина с дальнейшим получением этанола и других
биопродуктов;
5) сжижение с получением нефтехимикатов;
Метановое сбраживание, как известно, существует в природе, а также издавна
применяется в управляемых условиях как основной элемент схем очистки бытовых и
промышленных сточных вод. А также для обработки сельскохозяйственных отходов. В
конечном этапе такого процесса получается биогаз, а также шлам используемые в
качестве органического удобрения. Однако навозные стоки и свинная жижа по своим
характеристикам в значительной мере отличаются от бытовых и промышленных, а
также городских сточных вод, что накладывает свои особенности на технологию их
переработки и аппаратуру.
Метановое сбраживание биомассы является многоступенчатым процессом,
осуществляющимся при участии разнообразных микроорганизмов и протекающим в
определенной последовательности (Рис 1).
Деятельность метанобразующих бактерий и соответственно объем биогаза,
получаемого в результате сбраживания, зависит от температуры, кислотности среды,
ее щелочности, содержания летучих жирных кислот, питательных веществ,
соотношения между углеродами, азотом других факторов.
Не ясен механизм уничтожения патогенных микроорганизмов и гельминтов.
Одни исследователи считают, что это происходит из-за анаэробных условий, изменений
1
кислотности среды и воздействия ацетата, другие полагают, что при высоких
температурах происходит коагуляция белка и этим объясняются преимущества
термофильных температур. Концентрация водородных ионов в среде нагрева всегда
считалась одним из важнейших факторов, влияющих на термостойкость микроорганизмов. Термостойкость как спор, так и неспорообразующих микроорганизмов
максимальна в узком диапазоне рН (от 6,0 до 7,0), а вне его снижается, причем при больших значениях рН — обычно более резко.
Мировой практике в литературах часто встречается, что метанообразуюшие
бактерии надо врашивать его раздать, привести вложить в установку. Однако на наш
взгляд и наши опыты показывает, что их привести из других климатических условий
и других сред недает никаких успехов по увеличению выхода газа от полезного
объема биореактора. При, применение такого условия только отнимает время, если
хочется такой прием работы с биомассой врашивать метанообразуюшие бактерии
надо на месте где приводят такой процесс обработки отходов.
Большое содержание летучих жирных кислот при загрузке в биореактор
оказывает неблагоприятное воздействие на процесс – понижает рН среды
биореактора, изменяет оптимальные соотношение микроорганизмов в биореакторе,
вследствие чего оптимальный ход процесса метанового сбраживания нарушается.
В сушествующих биореакторах процесс метнового сбраживания является
энергоемким.На его поддержание расходуется значительная часть выделяемого
биогаза, который может быть использован как товарный. Энергия при этом
затрачивается:
- на измельчение и перекачивание биомассы;
- на подогрев вновь загружаемой биомассы и компенсацию теплопотерь в
окружающую среду с целью поддержания необходимой температуры биомассы в
процессе ее сбраживания;
- на перемешивание биомассы.
2
Опыты показывает, что расход энергии на измельчение крупных частиц
биомассы и перекачивание биомассы, а также теплопотери через поверхность
биореактора в окружающую среду, зависящие от применяемой теплоизоляции
составляют незначительную часть от общих затрат энергии (7 %).
В лаборатории для уменьшения тепловых потер через поверхности
биореактора такомже объеме биореактора разработан биореактор шарообразного
вида. Это позволяет уменьшить поверхност контакта биореактора с атмосферным
воздухом.
Ученные считает перемешивание биомассы в биореакторах дает возможность
интенсивные теплообмен веществами брожения. Однако, большинстве авторов
считает перемешиваемая биомассы в реакторе должна иметь ограниченную скорость
(до 0,5 м/с), так как большая скорость движения субстрата с микробиологический
точки зрения невыгодна. Кроме того, она хотя и приводит к повышению
интенсивности теплообмена, но одновременно увеличивает и затраты энергии на
перемешивание. Убедиться в этом легко, проанализировав известные уравнения
теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при турбулентном движении жидкости
в трубном теплообменнике
 и  0,021Re0.8  Pz0.43
P 
 тр 
d

  м 
2
(1.2)
2
(1.3)
где:
Nu - критерий Нуссельта;
Rе - критерий Рейнольдова;
Р2 - критерий Прандтля;
∆Р - гидравлическое сопротивление теплообменного аппарата на
данной рабочей среды ;

стороне
- скорость рабочей среды ;
 - плотность среды;
 - длина канала ;
d-диаметр канала ;
 - коэффициент трения ;
 м - сумма коэффициентов местных сопротивлений.
Из (1.2) и (1.3) находим
 =А1  0,8,


∆ =А2 1,75
где: At и А2 коэффициенты пропорциональности.
Из полученных соотношений видно, что увеличение скорости потока в два
раза обеспечивает рост теплоотдачи в 1,75 раза, а рост гидравлического
сопротивления в этом случае происходит до 3,4 раза.
Из вышеизложенных соображений следует, что нельзя рассматривать
интенсификацию процесса изолированно от производимых при этом затрат энергии.
Таким образом, проведенный анализ затрат энергии на системы обеспечения в
процесс метанового сбраживания позволит сделать вывод о том, что главное
внимание при поиске путей снижения энергоемкости метанового сбраживания
следует уделять системам рекуперации теплоты сброженного навоза и
перемешивания биомассы в биореакторах. При этом, учитывая интенсивный способ
обработки биомассы в термофильном режиме, целесообразно выбирать рекуператоры
3
интенсивного действия. Кроме того, выбираемые аппараты должны удовлетворять
требованиям, предъявляемым к установкам, работающим с неньютоновским
характером жидкости, к числу которых относится биомасса.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Использованная литература.
Рахматов Б.Ф., Имамов Ш.Ж. Переработка навоза и навозных стоков метановым
сбраживанием // Деп. в ЦНИИТЭИ автосельхозмаше. 1243. М. 1990 г. 49 с.
Имамов Ш.Ж.
и др. Способ переработки навоза и установка для его
осуществления. А.С. № 4664566/15 (038999) ДСП. 1990 г.
Рахматов Б.Ф. и др. Способ переработки жидких органических субстратов и
установка для его осуществления. Патент РУз. № 2881. Ташкент. 1995 г.
Виестур У. Э., Шмите И. А., Жилевич А. В
Биотехнология. — Рига,
1987. — 264 с.
Жуков А. И.,
Монгайт И. J1., Родзиллер И. Д. Методы очистки произ
водственных сточных вод. — М., 1977. — 208 с.
Когановский А. М., Клименко Н. А., Левченко Т. П. и др. Очистка и
использование сточных вод в промышленном водоснабжении. — М., 1983.—
288 с.
Мунблид В. Я., Тальрозе В. Л., Трофимов В. И. Термоинактивация микроорганизмов. — М., 1985. — 248 с.
4