Для проверки результатов эксперимента на лабораторной установке был поставлен эксперимент на промышленной биогазовой установке.

Исследования показали, что производительность установки при работе двух реакторов составляет: по удобрению 3 м³ в сутки, по биогазу 75 м³ в сутки.

Технологический процесс состоит в следующем. Птичий помет птицефабрики, содержащий порядка 8% сухого остатка, после отделения от него крупных фракций неорганических примесей, подается ассенизационной техникой в приемную емкость, представляющую собой заглубленный бетонный резервуар объемом 20 м³. При необходимости помет разбавляется водой до влажности 92%, перемешивается насосом до однородности смеси и этим же насосом закачивается в биореакторы объемом около 80%, рисунок 9.

После загрузки реакторов и налаживания циркуляции смеси в змеевик реакторов подается горячая вода и начинается постепенный разогрев биомассы до температуры 48-58 °С, которая поддерживается автоматически во время процесса.

При этой температуре происходит обеззараживание помета. После первоначальной загрузки биомассы в реакторы процесс анаэробного сбраживания длится 10 суток, при периодическом перемешивании (циркуляции) биомассы в реакторах насосом.

По истечении 10 суток из реакторов отбирается проба сброженной биомассы на анализ. При получении результатов, каждые последующие сутки из реакторов насосом отбирается 3м³ (по 1,5м³ на каждого) готового удобрения, которое тем же насосом закачивается в емкость для дальнейшей расфасовки в тару или закачки в автовоз. После отбора удобрения реакторы дополняются тем же объемом свежего объема из емкости для продолжения процесса сбраживания.

Рис. 9. Метантенк

Биогаз из реакторов поступает в газгольдер мокрого типа, где происходит его накопление. Полный объем газгольдера 5,5 м³. Из газгольдера биогаз забирается компрессором и с давлением Р = 1,5-2,5 Кгс/см² подается в ресивер, где происходит его сепарация от влаги и накопление в сжатом состоянии.

Регулирующий вентиль, установленный на шунте компрессора, позволяет регулировать производительность компрессора в широких пределах. Из ресивера биогаз направляется на использование в качестве топлива для нужд самой установки.

Температура задавалась в том же диапазоне, что и в лабораторных условиях, - по три дня на каждое значение температуры. Как и следовало ожидать, выход биогаза соответствовал кривой, полученной в лабораторных условиях.

Так же наблюдается снижение прироста выхода биогаза при повышении температуры, что позволяет с достаточной точностью аппроксимировать экспериментальные данные кривой (гиперболой)

, (38)

где у – суточный выход биогаза;

t – температура внутри метантенка.

Таким образом, для обоснования температурного режима можно использовать имеющую ту же кривую, полученную в лабораторных условиях.

Рис.10. Выход биогаза в зависимости от температуры

на промышленной установке

Для оценки влияния длины трубы теплообменника (l) – на температуру субстрата в метантенке, был поставлен эксперемент. Площадь внешней поверхности теплообменника определялась по формуле S=2πrl, где r – радиус внешней окружности трубы (r=42 мм). Длина трубы менялась через каждые 2 метра путем добавления дополнительных отрезков. После того как температура установилась (принимался интервал один час), измерялась температура субстрата. Данные влияния длинны теплообменника на температуру субстрата приведены в таблице 1.

Таблица 1

Влияние длины теплообменника на температуру субстрата

	S(м2)	2	4	6	8	10
	t	45,2	53,1	62,0	67,3	70,8

Полученные экспериментальные данные аппроксимируются нелинейной зависимостью:

, (39)

причем погрешность аппроксимации не превышает 0,2. Введем целевую функцию, равную разности начальных затрат на теплообменник и дохода от того, что температура выше исходной температуры и, следовательно, выше выход биогаза:

(40)

где с – стоимость одного метра трубы (164 руб./м), изготовленной горячекатаной стали ЗСП4, n – плановая длительность эксплуатации оборудования (10 лет), m – число дней в году, , β и S₀ – константы в эмпирической зависимости температуры от площади теплообменника, у(t) – выведенная ранее зависимость суточной выработки газа в зависимости от температуры субстрата.

Для нахождения оптимальной длины теплообменника продифференцируем целевую функцию по его длине l и приравняем производную нулю:

(41)

Полученное трансцендентное относительно площади теплообменника уравнение решается с помощью пакета Mathcad 2000. Его единственное действительное решение l=16 м дает возможность выбрать расположение теплообменника так, чтобы минимизировать затраты на подогрев субстрата. В этом подходе применяется формула зависимости выхода биогаза от температуры субстрата, выведенная нами для промышленной установки.

В пятой главе «Определение экономического эффекта от реализации результатов исследований» рассматривается экономическая эффективность внедрения полученных результатов. По формуле оптимальной температуры при заданных значениях параметров

γ = 4,18·10³ Дж/кг,

β = 6,94·10³ Дж/м³,

b =1756 град²·дм³/кг,

оценим прибыль при оптимальной температуре (t₀ = 54°) вместо применяемой ранее t₁ = 52°:

(42)

Таким образом, на каждом килограмме свежего помета прибыль при оптимальной температуре сбраживания составляет 16,42 килоджоулей; за сутки одной двадцатитонной установкой (метантенком) перерабатывается две тонны помета, прибыль за сутки (в Джоулях) составит

(16,42·10³)·(2000)=32,84·10⁶Дж. (43)

Определим стоимость одного Джоуля. Один киловатт/час (на март 2005г.) стоит 1,18 руб. Так как один киловатт/час равен 3,62·10⁶, один Джоуль стоит (1,18/3,62·10⁶) = 0,326·10^-6 руб. Следовательно, суточная прибыль при оптимальной температуре составит (32,84·10⁶)·(0,326·10^-6) = 10,7 руб. С 10 тонн перерабатываемого помета составит 53.5 руб. в сутки, соответственно ежегодная прибыль составит 19 527 руб.

Таблица 2