Методика лабораторного исследования по выходу биогаза

Лабораторная установка по определению выхода газа из жидкого помета в зависимости от температуры протекания процесса состоит из суховоздушного термостата, газового счетчика, емкости из полипропилена, соединительных силиконовых трубок.

Объект исследования. Куриный помет вещество серо-зеленого цвета, имеет вязкую структуру, редкие включения из продуктов кормления, составляющих рацион питания птицы. Куриный помет имеет сильный специфический запах.

При современном содержании птицы в клетках и на сетках, применяется гидросмывная технология, в результате чего получают большое количество жидкого бесподстилочного помета. Помет из системы пометоудаления при клеточном содержании кур содержит в среднем 90-92% влаги.

Из вышеперечисленного оборудования смонтирована и запущена в работу установка для определения количества вырабатываемого биогаза из помета по нижеприведенной технологической схеме.

Error: Reference source not found

1 л (1дм³) помета помещали в термостат, выдерживали в течение десяти суток (сбраживание), затем ежедневно в течение десяти суток из емкости с пометом удаляли 0,1 л (0,1 объема емкости) жидкого помета и дополняли освободившийся объем таким же количеством жидкого помета.

Для каждого температурного режима 48-58 °С брали свежие пробы из системы пометоудаления и помещали в термостат. В течение каждой серии исследований (20 суток) ежедневно в одно и то же время регистрировали количество (объем) образовавшегося биогаза по показаниям газового счетчика ГСБ-4.

Таким образом, учет образования биогаза при одной температуре производили в течение 20 суток, в том числе с 1 по 10 сутки – подготовительный период (сбраживание помета), с 11 по 20 – контрольный период (технологический).

Методика проведения производственных исследований на биоустановке

Методика состояла в следующем: птичий помет с помощью асенезаторской машины УОМ – 50 после отделения посторонних включений попадает в приемную емкость для накапления, после чего закачивается в биореактор (метантенк) и подается доза метанобразующих бактерий. Следующий этап состаит в подогреве субстрата до температуры 48-58^оС, и выдержевании данного режима в течении 10 суток при периодическом перемешивании. Для каждого интервала времени (не менее 4 часов) фиксировалась температура находящегося внутри метантенка помета и одновременно фиксировался с помощью электрографического устройства выход биогаза.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты лабораторных и производственных исследований по определению выхода биогаза из жидкого помета в зависимости от температуры протекания процесса. Установлено, что при повышении температуры сбраживания, поддерживаемой в метантенке, повышается выход биогаза, но при этом возрастают затраты на повышение температуры помета. Таким образом, существует рациональная температура переработки помета, включающая как объемную теплоту сгорания биогаза, так и затраты на поддержание температуры сбраживания.

Чтобы проанализировать первый фактор, был поставлен эксперимент, с помощью которого удалось выявить зависимость объемной теплоты сгорания от температуры анаэробного процесса в метантенке.

Оборудование:

1. Термостат суховоздушный с контрольным ртутным термометром с ценой деления 0,2 градуса.

2. Газовый счетчик большой лабораторный ГСБ-4, поверенный перед исследованиями отделом метрологии ОмГАУ.

3. Емкости по 1 л (1дм³) из полипропилена.

4. Соединительные трубки силиконовые.

Из вышеперечисленного оборудования смонтирована и запущена в работу установка для определения количества вырабатываемого биогаза из помета.

Рис.6. Лабораторная установка.

Описание эксперимента. Исследования проводились в лаборатории кафедры гигиены и безопасности жизнедеятельности Института ветеринарной медицины Омского государственного аграрного университета.

Помет в объеме 1 дм³ помещали в 1 литровую полипропиленовую (ПЕТ) бутылку. В крышке (бутылки) прорезали отверстие и вставляли силиконовую трубку, с условием плотного соединения, для обеспечения герметичности всех стыков.

Бутыль с пометом помещали в термостат, выводили силиконовую трубку и подсоединяли ее к газовому счетчику, так же обеспечивая плотное соединение со штуцером счетчика, из газового счетчика выводили силиконовую трубку и подсоединяли ее к вытяжки, для сброса газа в атмосферу.

В термостате выдерживали температуру +48^оС в течение десяти суток, затем ежедневно в течение десяти суток из емкости с пометом удаляли 0,1 л (0,1 объема емкости) жидкого помета и дополняли освободившийся объем таким же количеством помета, при этом фиксировали показания газового счетчика, и записывали данные в таблицу. Через 20 суток эксперимент повторяли с увеличением температуры на 2^оС.

Для каждого значения температуры в интервале +48-58°С брали свежие пробы из системы пометоудаления и помещали в термостат. В течение каждой серии исследований (20 суток) ежедневно в одно и то же время регистрировали количество (объем) образовавшегося биогаза по показаниям газового счетчика ГСБ-4.

Таким образом, учет образования биогаза при одной температуре производили в течение 20 суток, в том числе с 1 по 10 сутки – подготовительный период (сбраживание помета), с 11 по 20 – контрольный период (технологический).

В диапазоне температур, характерного для анаэробного процесса, а именно для температурного интервала от +48°С до +58°С с интервалом в 2° и массы жидкого помета 5,71г в течение 20 дней определялся выход биогаза и пересчитывался на массу помета 1 кг. Период в 20 дней был взят явно больше оптимального интервала (10 дней), и эксперимент показал незначительный рост выхода биогаза (у, дм³/кг) после оптимального периода. Всего было исследовано 12 проб одной и той же массы: Результаты усредненные по каждой температуре приведены на рисунке 8.

В результате проведенного эксперимента установлен рост выхода биогаза при повышении температуры. При этом наблюдается уменьшение прироста, то есть вторая производная аппроксимирующей функции является отрицательной. График представляет собой возрастающую кривую, имеющую выпуклость вверх, причем рост ее с повышением температуры замедляется.

Рис.8. Выход биогаза при повышении температуры

на лабораторной установке

Эта функция имеет горизонтальную асимптоту, поэтому при аппроксимации имеет смысл использовать уравнение гиперболы

(31)

где a, b – неизвестные константы, у = a – уравнение асимптоты.

Чтобы применить метод наименьших квадратов, введем новую переменную

τ = 1/t. (32)

Использование стандартной процедуры из пакета Excel для построения линейной регрессии у от τ дает следующее выражение:

(33)

Абсолютная погрешность полученной аппроксимации равна 0,3 дм³ /кг, что является, безусловно, удовлетворительным для обоснования температурного режима в метантенке. Введем целевую функцию, равную разности полученного биогаза от одного килограмма жидкого помета (в энергетических единицах) и затрат – в тех же единицах – на поддержание температуры сбраживания:

(34)

где β – объемная теплота сгорания биогаза, β=69,4 Дж/дм³;

γ – теплоемкость жидкого помета, γ = 4,18 КДж/кг·град.

Обоснование температурного режима означает в данном случае максимизацию целевой функции; следовательно, необходимо найти ее производную:

(35)

так как ограничения на t отсутствуют. Отсюда:

(36)

Таким образом, оптимальная температура сбраживания равна + 54°С. Предлагаемый метод расчета температурного режима можно применять не только для анаэробного сбраживания; поскольку известна функция y(t), данный подход дает возможность оценить потери, вызванные эксплуатацией метантенка при неоптимальных температурах.

Для того, чтобы убедиться в том, что полученная формула действительно обеспечивает максимум целевой функции, найдем ее вторую производную:

(37)

при любых значениях аргумента t: Следовательно, полученное значение t_opt обеспечивает максимум целевой функции. При этой температуре выход биогаза (с учетом затрат на поддержание температурного режима) является максимальным.