УДК 574.36

розробка МАТЕМАТИЧНої МОДЕЛі РОБОТИ БІОГАЗОВОЇ УСТАНОВКИ для вироблення біопалива

MATHEMATICAL MODEL OF WORK OF BIOGAS INSTALLATION

 

аспирант І. В. Литвишков, д.т.н., А. Ю. Майстренко; к.т.н., Ю. В. КурІс

 

 

 

 

 

 


In connection with population growth, its concentration in cities and development of industrial production of a foodstuff, recently there is more and more actual a problem of liquidation of an organic waste of ability to live of the person. Usually household waste simply dumps. But in modern cities any waste is thrown out so much that they already create serious environmental problems. One of ways of recycling of an organic waste, use of bioreactors is - the big containers in which it is artificial conditions for fast decomposition of a waste are created. Use of products of decomposition is thus possible: allocated gas can be used for heating of premises or for other similar purposes, and firm products are good fertilizer. For effective designing and management of such bioreactors it is necessary to use modern mathematical methods. Therefore there is an actual problem of working out of adequate mathematical models of the processes proceeding in bioreactors on recycling of an organic waste and management methods by them.

An organic waste represents the difficult ecosystem consisting of various species of microorganisms, products of their ability to live and of some other substances which for one species of microorganisms serve as a food, and for others — neutral, or poisoning environment. There is difficult enough system of biochemical processes connected with ability to live of microorganisms, accompanied warmly, chemical and other transformations. The problem of modelling and management of bioreactors and biochemical processes is actual.

 

 

У зв'язку із зростанням населення, його концентрацією в містах і розвитком промислового виробництва продуктів харчування, останнім часом стає все більш актуальною проблема ліквідації органічних відходів життєдіяльності людини. Зазвичай побутові відходи просто викидають на звалище. Але в сучасних містах викидається стільки всяких відходів, що вони вже створюють серйозні екологічні проблеми. Одним з шляхів утилізації органічних відходів, є використання біореакторів - великих контейнерів, в яких штучно створюються умови для швидкого розкладання відходів. При цьому можливе використання продуктів розкладання: газ, що виділяється, можна використовувати для опалювання приміщень або для інших подібних цілей, а тверді продукти є хорошим добривом. Для ефективного проектування і управління такими біореакторами необхідно використовувати сучасні математичні методи. Тому виникає актуальна проблема розробки адекватних математичних моделей процесів, що протікають в біореакторах по утилізації органічних відходів і методів управління ними.

Органічні відходи є складною екосистемою, що складається з різних видів мікроорганізмів, продуктів їх життєдіяльності і ряду інших речовин, які для одних видів мікроорганізмів служать живленням, а для інших — нейтральною, або отруйливим середовищем. Виникає досить складна система біохімічних процесів, що пов'язана з життєдіяльністю мікроорганізмів, супроводжується тепло- і масообміном, хімічними і іншими перетвореннями. Проблема моделювання та управління біореакторами і біохімічними процесами є актуальною.

 

 

Обґрунтування   параметрів   функціонування   біоенергетичного реактора:

Сучасні біогазові установки засновані на використанні реакторів, що підігріваються, оскільки для здійснення процесу метаногенеза необхідно постійно витрачати енергію. Ефективне виробництво біогазу можливе тільки у тому випадку, коли сумарна енергія газу буде значно вища за витрати енергії на його виробництво. З метою зниження енергії виробництва біогазу, можливе використання теплоти охолоджуючої рідини ДВС, температури відхідних газів,  для нагріву біомаси в біореакторі.

Умова отримання товарного біогазу може бути представлена математично з урахуванням теплового балансу біореактора [1, 2, 3, 4, 8]

, м3                                                 (1)

де: VТ — кількість товарного біогазу, м3; VГ — загальна кількість отриманого біогазу, м3 ; QCH — витрата енергії на власні потреби установки, кДж;  — теплотворна здатність біогазу, кДж/м3.

У міру отримання біогазу його кількість при   досягає величини, достатньої для повної компенсації витрат тепла на нагрів біомаси та всіх теплоенерговитрат (). Досягши рівності значенні  процес зброджування біомаси слід припинити, оскільки при подальшому утриманні біомаси в метантенкі енергія тепловтрат не буде компенсована енергією отриманого біогазу.

Аналогічно, рішення задачі отримання товарного біогазу   та витрати енергії на процес його отримання , з подальшим визначенням оптимального часу () зброджування біомаси в метантенке. Залежність   може бути визначена експериментально для біомаси, вигляд та склад якого залежать від конкретних умов кожної тваринницької ферми.

Математична обробка таких експериментальних даних показує, що залежності    відповідає   емпіричне   рівняння [4-6]:

,                                (2)

де: а, b, с — емпіричні коефіцієнти, значення яких визначаються за наслідками обробки досвідчених даних;  - тривалість бродіння (= 19 діб); VH - об'єм зброджуваного біомаси, м3.

 

Тепловий баланс біореактора:

 

Витрата енергії на власні потреби   визначається по залежності:

, кДж                                         (3)

де: QH - витрата енергії на попередній нагрів біомаси до температури бродіння; QП - добова витрата енергії на компенсацію всіх теплопотерь, кДж/сут.

Тепловтрат, QП, включають енерговитрати на привід перемішуючих пристроїв QM, втрати енергії з сбраженной біомасою QБМ, що видаляється, втрати енергії в навколишнє середовище QK, втрати енергії з біогазом QБГ (рис. 1), що видаляється, дане питання детально описане та розглянуте в статтях авторів [7, 9].

Тепловтрат через захищаючі поверхні метантенка в добу:

,  кДж/сут                            (4)

де: k - коефіцієнт теплопередачі, кВт/м2. К; F - площа захищаючих поверхонь метантенка, м2; Тв - температура зовнішнього повітря, К; Тн - температура біомаси, що подає в метантенк, К.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1 Розрахункова схема теплового балансу біореактора

 

               

Теплових  втрат, з біогазом, що йде, визначаються по рівнянню:

   кДж/сут                                   (5)

де: VГ - добовий об'єм біологічного газу, що виділився, м3 /сут; Сг - об'ємна теплоємність біологічного газу, кДж/м3.К.; ТГ - температура біологічного газу на виході з метантенка; Тв- температура навколишнього повітря, К.

Тепловтрат із збродженою біомасою, що видаляється

, кДж/сут                                   (6)

де:  VH - об'єм біомаси, що видаляється з метантенка в добу, м3 ; Сн - об'ємна теплоємність біомаси, кДж/м3 ; Т2 - температура біомаси на виході з метантенка.

Витрати енергії на привід перемішуючих пристроїв і допоміжного устаткування визначаються по формулі:

, кДж/сут                               (7)

де NM - потрібна потужність насоса або перемішуючих пристроїв, кВт; WH - продуктивність насоса, м3 /ч;    -  ККД перемішуючого пристрою; 1/8 - означає, що перемішуючий пристрій працює тільки 1/8-му частину (3 години) в добу.

Враховуючи недовантаження метантенка, щільність біомаси рн, коефіцієнт залишку дози  добового завантаження метантенка визначається по рівнянню:

                                             (8)

де: d – доза добового завантаження, в %,   - тривалість бродіння; приймаємо   =   19 діб  = 3...5% [2, 10].

Отже, час, протягом якого відбувається бродіння біомаси з отриманням товарного біогазу можна визначити по залежності:

                                                    (9)

Або інтегральний вираз (9) можна представити у формі:

 

                            (10)

Рішення (10) дає можливість оцінювати як характер теплового балансу процесу бродіння біомаси, так і оптимального режиму отримання товарного біогазу.

 

ЗАГАЛЬНІ ВИВОДИ

 

1.     Для коректнішої оцінки енергетичної ефективності роботи анаеробного реактора, представляється бажаним розглядати всі чинники по масових характеристиках.

2.     Отримане інтегральне рівняння дає можливість оцінювати як характер оптимального режиму отримання товарного біогазу, так і тепловий баланс процесу бродіння біомаси.

3.     Провести вивчення енергетичного балансу біогазових установок і дати енергетичну оцінку їх ефективності стосовно умов України.

 

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ЛІТЕРАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ

        

1.     Куріс Ю.В. Підвищення теплотехнічних та технологічних показників спалювання біогазу в теплогенеруючому обладнанні: Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук, НУХТ, Київ, 2007.

2.     Сельскохозяйственная биотехнология: Учеб/ B.C. Шевелуха, Е.А. Калаш­никова, Е.С. Воронин и др., Под редак. B.C. Шевелухи - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2003. - 469с. ил.

3.     Скороходов А.Н. Общая методика моделирования технологий и техниче­ских средств для их реализации по критериям энерго- и ресурсосбереже­ния. // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. №4, 2005. - С. 56-61.

4.     Ткаченко С. Й., Степанов Д. В. Теплообмінні та гідродинамічні процеси в елементах енергозабезпечення біогазової установки: Монографія / Вінниц. нац. техн. ун-т. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2004. - 132 c.

5.     Энергетические установки и окружающая среда. Под ред. проф. Маляренко В.А. Учебное пособие. – Харьков: ХГАГХ, 2002. – 398 с.

6.    Jane K. Jensen, Anker B. Jensen.: Biogas and Natural Gas fuel mixture for the future. First World Conference and Exhibition on Biomass for Energy and Industry. Seveile, 2000.

7.     Курис Ю. В., Ткаченко С. И. Описание расчета потерь теплоты  биогазовой установки // Фаховий журнал “Энергетика и электрификация”. г. Киев, - №9. – 2008. – С. 51-55.

8.     Курис Ю. В., Хейфец Р. Г., Ткаченко С. И. Возможности и перспективы использования альтернативных топлив в ДВС сельскохозяйственного назначения // Фаховий журнал “Энергетика и электрификация”. г. Киев, - №4. – 2008. – С. 43-47.

9.     Курис Ю.В., Степанов Д. В., Ткаченко С. И., Хажмурадов М.А., Карнацевич Л.В. Увеличение эффективности дальнейшего использования и сжигания биогаза: «Достижения и перспективы». // Фаховий журнал “Энергетика и электрификация”. г. Киев, - №12. – 2006. – С. 67-79.

10.     Мартынюк A.A. Техническая устойчивость в динамике. Киев: Тех­ника, 1973. 188с.