Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

БИОФИЗИКА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ВЫДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ БИОМАССЫ

Решетникова И.В. 1 Батанов С.Д. 1 Поспелова И.Г. 1 Прокопьев А.В. 1 Алексеева Н.А. 1 Возмищев И.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»
Статья посвящена возможности использования солнечной энергии, запасенной биомассой за счет био-физико-химических процессов. Извлечь эту энергию можно посредством анаэробного сбраживания биомассы. В результате сбраживания получается высококалорийный биогаз и органическое удобрение. Тем самым решаются энергетические и экологические вопросы, в том числе проблема складирования и хранения отходов. На интенсивность образования биогаза существенно влияет темпера¬турный режим процесса. В статье предлагается использовать СВЧ-нагрев для поддержания необходимой температуры биомассы (40…55 °С) для анаэробного сбраживания. Причем для равномерного распределения СВЧ-энергии предлагается в центральную часть трехстадийного биореактора установить не один СВЧ- излучатель, а несколько, и расположить их равномерно по всему периметру метантенка. Результаты экспериментальных исследований показали, что при таком способе подвода энергии процесс сбраживания биомассы происходит интенсивнее, а эффективность выделения биогаза увеличивается по сравнению с известной технологией на 10-12%.
трех стадийный биореактор
СВЧ нагрев
анаэробное сбраживание
биогаз
биомасса
1. Касаткин В.В. Тепломассообмен в сублимационных сушильных установках непрерывного действия с СВЧ- и УЗИ-источниками при непрерывном потоке газа / В.В. Касаткин, Н.Ю. Литвинюк, И.Г. Поспелова, И.В. Возмищев // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2011. – № 7. – С. 75-77.
2. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. — М. : Высшая школа, 1970. - Ч. I.
3. Патент РФ № 2011149486/10, 05.12.2011. Решетникова И.В., Касаткин В.В., Вохмин В.С., Кудряшова А.Г., Игнатьев С.П., Петров С.В. Биогазовая установка с дозированным СВЧ-нагревом : Патент России № 2490322.2013. Бюл. № 23.
4. Производство тепловой энергии из биомассы [Электронный ресурс]. — Режим доступа: osnovy…i…teplovoj-energii-iz-biomassy/ (дата обращения: 18.03.2014).
5. Савушкин А.В. Альтернативное топливо в сельском хозяйстве / А.В. Савушкин, В.С. Вохмин, И.В. Решетникова // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2009. – № 4. – С. 37-38.

Введение

Растительная биомасса является первичным источником энергии на Земле. Биомасса - органическое вещество, генерируемое растениями в процессе фотосинтеза, при подводе солнечной (световой) энергии. Биомасса является как бы аккумулятором солнечной энергии.

Анаэробное сбраживание биомассы представляет собой микробиологический процесс разложения сложных органических веществ без доступа воздуха. При сбраживании происходит превращение углеводородов (брожение) и белков (гниение) в биогаз - смесь метана СН4 (до 60...70%), диоксида углерода СО4, азота N2, водорода Н2 и кислорода (вместе 1...6%), и образуется стабилизированный осадок исходной биомассы. Биогаз является высококалорийным, удобным для практического использования топливом, а стабилизированный осадок - органическим удобрением. В процессе брожения биомасса теряет неприятный запах, и при этом погибает патогенная микрофлора. При анаэробном сбраживании решаются энергетические и экологические вопросы, в том числе проблема складирования и хранения отходов [4; 5].

На сегодняшний день существующие способы анаэробной переработки не обеспечивают полноты сбраживания и более глубокого разложения отходов сельского хозяйства и пищевых перерабатывающих производств. В сложившейся ситуации представляется актуальным развитие биогазовых установок и интенсификация сбраживания пищевых и сельскохозяйственных отходов с помощью микроорганизмов.

Цель исследования: изучение влияния температурного режима анаэробного сбраживания на интенсивность образования биогаза.

Начальная температура биомассы обычно меньше оптимальной, поэтому ее подогревают перед поступлением в метантенк либо в самом ферментаторе [4].

Из источников научно-технической и патентной литературы известно использование СВЧ-нагрева биомассы при выработке биогаза [3]. Достоинство СВЧ-нагрева заключается в том, что с помощью СВЧ-энергии можно не только равномерно нагревать диэлектрик по его объему, но и получать по желанию любое заданное распределение температур. Поэтому при СВЧ-нагреве открываются возможности многократного ускорения ряда технологических процессов [1; 2]. В известном способе для нагревания биомассы используется один СВЧ-излучатель на весь метантенк, и интенсификация процесса позволяет увеличить эффективность выхода биогаза на 20-25% в зависимости от исходного сырья. В зоне нагрева одним СВЧ-излучателем наблюдается неравномерный нагрев, а где-то и перегрев биомассы, что приводит к гибели микроорганизмов.

Предлагается в центральную часть трехстадийного биореактора установить не один СВЧ-излучатель, а несколько, и расположить их равномерно по всему периметру метантенка.

Материал и методы исследования

На рис. 1 показана технологическая схема трехстадийного биореактора с тремя СВЧ- излучателями. Биогазовая установка с дозированным СВЧ-нагревом состоит из биореактора, имеющего три концентрично расположенные цилиндрические емкости: наружную для проведения психрофильной стадии анаэробного сбраживания биомассы (с диапазоном температур 8…25 °С), среднюю для мезофильной стадии сбраживания (с диапазоном температур 25…40 °С) и центральную для термофильной стадии анаэробного сбраживания (с диапазоном температур 40…55 °С) объемом 200 л, снабженную тремя СВЧ-источниками с частотой излучения 2450 МГц и мощностью 800 Вт. При выборе указанного количества источников СВЧ-излучения учитывались их мощность, диэлектрическая проницаемость биомассы, глубина проникновения волн, частота излучения.

Диэлектрический нагрев в центральной секции метантенка осуществляется в пределах температуры 40…55 °С, что соответствует термофильному режиму сбраживания. Эта температура поддерживается постоянно, для обеспечения непрерывного режима работы реактора. При поддержании заданного максимума температуры происходит постоянный теплообмен биомассы, который позволяет достичь двух других режимов сбраживания в метантенке. Теплообмену способствуют диффузионный процесс при загрузке и выгрузке сырья, а также циклическое перемешивание субстрата.

Безымянный

Рис. 1. Технологическая схема трехстадийного биореактора с тремя СВЧ–излучателями

Результаты исследования и их обсуждение

На диаграммах (рис. 2) показан общий выход биогаза за 24 дня со свиным навозом при одном источнике излучения (а) и при трех источниках излучения (б).

а
б

Рис. 2. Общий выход биогаза за 24 дня со свиным навозом при одном источнике излучения (а) и при трех источниках излучения (б)

Анализ диаграмм по общему выходу биогаза из данного образца показывает, что использование СВЧ-нагрева с тремя источниками излучения для технологии метанового сбраживания приводит к уменьшению времени процесса сбраживания навоза.

а) при одном источнике излучения

б) при трех источниках излучения

Рис. 3. Кинетика получения биогаза в едином цикле сбраживания

Результаты экспериментальных исследований (рис. 3) метанового сбраживания при одном источнике излучения, и при трех источниках излучения со свиным и коровьим навозом показали, что процесс сбраживания биомассы происходит интенсивнее по всему объему метантенка, реализуя разработанную технологию, за счет равномерного нагрева.

Также были проведены исследования (рис. 4) по выходу биогаза и измерено с помощью газоанализатора процентное содержание метана в свином и коровьем навозе.

а - свиной

б - коровий

Рис. 4. Результаты измерений газоанализатором ЭТХ-1

Измерения газоанализатором, проведенные в различные периоды работы установки, показали, что максимальное содержание метана в свином навозе составило 56%, в коровьем 50%.

На рис. 5 показана зависимость температуры биомассы на основе свиного навоза от времени сбраживания при одном и трех источниках излучения. При увеличении количества источников излучения происходит уменьшение времени процесса сбраживания навоза, и, как следствие, существенная экономия электроэнергии на нагрев и увеличение производительности биогазовой установки.

Рис. 5. Зависимость температуры от времени сбраживания свиного навоза при одном и при трех источниках излучения

Заключение

Результаты экспериментальных исследований по метановому сбраживанию биомассы в трехстадийном метантенке с диэлектрическим нагревом показали, что при использовании трех источников СВЧ-излучения интенсивность выделения биогаза увеличилась по сравнению с использованием одного источника СВЧ-излучения на 10…12%. Это можно объяснить более интенсивным процессом сбраживания биомассы по всему объему метантенка.

Рецензенты:

Лекомцев П.Л., д.т.н., профессор, профессор кафедры энергетики и электротехнологии ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА», г. Ижевск.

Юран С.И., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Автоматизированный электропривод» ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА», г. Ижевск.


Библиографическая ссылка

Решетникова И.В., Батанов С.Д., Поспелова И.Г., Прокопьев А.В., Алексеева Н.А., Возмищев И.В. БИОФИЗИКА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ВЫДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ БИОМАССЫ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=12861 (дата обращения: 17.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074