Задачи этапа работы:

-монтаж и наладка лабораторной модели экспериментально-исследовательской микробарботажной установки.

-установление основных гидродинамических характеристик микробарботажного процесса на модельных системах. Монтаж и установка полупромышленной биогазовой установки. Заявка на патент «Массообменный аппарат».

-установление массообменных характеристик в микробарботажном аппарате направленное на возможность применения микробарботажных процессов для проведения массообменных процессов между биогазом и жидкостью.

- создание математической модели определения размеров микропузырьков и межфазной поверхности в микробарботажном аппарате и его экспериментальное обоснование. Предварительный запуск и наладка биогазовой установки.

Научная новизна проекта заключается в разработке новой технологии, которая позволяет повысить концентрацию метана, путем развития межфазной поверхности, использую уникальные свойства микропузырьков при тонком диспергировании газов, что приведет к созданию принципиально новых высокоэффективных аппаратов газожидкостного контакта, в том числе новых типов реакторов и ферментеров, которые могут способствовать повышению концентрации метана. При этом подготовка биогаза (очистка его от СО₂, Н₂S и осушка с последующей компрессией для хранения и распределения потребителям) с использованием разрабатываемого микробарботажного аппарата по сравнению с традиционными, например с абсорбцией и адсорбцией, может дать существенный экономический эффект. При разделении концентрация метана в топливном газе достигает 98 % (об.).

Математическое моделирование механики диспергирования газов в разрабатываемой технологии получения высококонцентрированного биогаза и установление зависимости основных массообменных параметров – удельной поверхности контактной фаз, межфазного потока поглощаемого вещества CO₂, H₂S, и др., коэффициентов массоотдачи, от скорости жидкости и от концентрации активной части поглотителя в микробарботажных процессах до настоящего времени отсутствуют, что является актуальной задачей для выполнения данного проекта.

Практическая ценность заключается в том, что на основе разработанной технологий микробарботажной очистки биогаза, проведенных исследований и выявления основных гидродинамических и массообменных характеристик микробарботажного аппарата на модельных системах направленное на выяснение возможности применения микробарботажных процессов для проведения массообменных процессов между биогазом и жидкостью, теоретического и экспериментального определение размеров микропузырьков и межфазной поверхности в микробарботажном аппарате на следующих этапах НИР будут теоретический обоснована и опытно-промышленно испытана новая конструкция мембранного микробарботажного аппарата, предложены аппаратурно-технологические решения и практические рекомендации по рациональному выбору конструктивных и режимных параметров средств и оборудования, а также разработана комплексная технология очистки биогаза и рекомендации оптимальных условий.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА И ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

1.1 Обзор и описание технологии получения биогаза

В начале XX века были проведены исследования в области повышения количества биогаза путем увеличения температуры брожения. Немецкие ученые Имхофф и Бланк в 1914-1921 гг. запатентовали ряд нововведений, которые заключались во введении постоянного подогрева емкостей. В период Первой мировой войны началось распространение биогазовых установок по Европе, связанное с дефицитом топлива. Хозяйства, где имелись такие установки, находились в более благоприятных условиях, хотя установки были еще несовершенные и в них использовались далеко не оптимальные режимы[1-6].

Первый крупномасштабный завод по производству биогаза был построен в 1911 году в английском городе Бирмингеме и использовался для обеззараживания осадка сточных вод этого города. Вырабатываемый биогаз использовался для производства электроэнергии. Таким образом, английские ученые являются пионерами практического применения новой технологии. Уже к 1920 году они разработали несколько типов установок для переработки сточных вод [24,25].

Первая биогазовая установка для переработки твердых отходов объемом 10 м3 была разработана Исманом и Дюселье и построена в Алжире в 1938 году [1,24].

Одним из важнейших научных шагов в истории развития биогазовых технологий являются успешные эксперименты Бусвелла по комбинированию различных видов органических отходов с навозом в качестве сырья в 30-х годах XX столетия [2,25].

В годы Второй мировой войны, когда энергоносителей катастрофически не хватало, в Германии и Франции был сделан акцент на получение биогаза из отходов сельскохозяйственного производства, главным образом из навоза животных. Во Франции к середине 40-х годов эксплуатировалось около 2 тыс. биогазовых установок для переработки навоза. Вполне естественно, этот опыт распространялся на соседние страны. В Венгрии существовали установки для производства биогаза, которые использовали в крестьянских хозяйствах навоз скота, откуда получали горючий газ [1,2,25].

Европейские установки довоенного периода не выдержали конкуренции в послевоенное время со стороны дешевых энергоносителей (жидкое топливо, природный газ, электроэнергия) и были демонтированы. Новым импульсом для их развития на новой основе стал энергетический кризис 70-х годов, когда началось стихийное внедрение биогазовых установок в странах юго-восточной Азии. Высокая плотность населения и интенсивное использование всех пригодных для возделывания сельскохозяйственных культур площадей земли, а также достаточно теплый климат, необходимый для использования биогазовых установок в самом простом варианте – без искусственного подогрева сырья, легли в основу различных национальных и международных программ по внедрению биогазовых технологий.

Сегодня биогазовые технологии стали стандартом переработки сельскохозяйственных твердых отходов, очистки сточных вод и используются в большинстве стран мира[2,10,25].

XXI век характеризуется большими темпами роста производительных сил в большинстве стран мира, что привело к резкому увеличению потребления всех видов энергии, в особенности заключенной в ископаемом топливе - угле, нефти и природном газе. В результате этого в ряде стран стала ощущаться не­хватка традиционных видов топлива, главным образом такого универсального и удобного, как нефть. Энергети­ческий кризис, захвативший многие государства, вызвал огромный рост цены на нефть. Создавшаяся ситуация усилила стремление поставить на службу человеку так называемые нетрадиционные ис­точники энергии - солнечную, ветровую, геотермальную.

Хотя солнечная энергия представляет собой практически неисчерпаемый источник и могла бы удовлетворить энергетические потребности всего населения земли на многие века, ее непосредственное применение связано с большими трудностями.

Другой путь – сегодня более перспективный – использовать солнечную энергию, запасенную в биомассе в результате фотосинтезной деятельности растений, для получения жидкого и газообразного топлива. Этому пути уделяется сейчас большое внимание как в промышленно развитых, так и в развивающихся странах. Доля биомассы в энергопотреблении разных стран колеблется в широких пределах. В некоторых развивающихся странах биомасса служит основным источником энергии для отопления жилищ и приготовления пищи.

На первом этапе анаэробного сбраживания органических веществ путем биохимического расщепления (гидролиза) сначала происходит разложение высокомолекулярных соединений (углеводов, жиров, белковых веществ) на низкомолекулярные органические соединения[8-12]. На втором этапе при участии кислотообразующих бактерий происходит дальнейшее разложение с образованием органических кислот и их солей, а также спиртов, СО₂ и Н₂, а затем H₂S и NH₃. Окончательное бактериальное преобразование органических веществ в СО₂ и СН₄ осуществляется на третьем этапе процесса (метановое брожение). Кроме того, из СО₂ и Н₂ образуется в дальнейшем дополнительное количество СН₄ и Н₂О. Эти реакции протекают одновременно, причем метанообразующие бактерии предъявляют к условиям своего существования значительно более высокие требования, чем кислотообразующие. Так, например, они нуждаются в абсолютно анаэробной среде и требуют более длительного времени для воспроизводства. Скорость и масштабы анаэробного брожения метанообразующих бактерий зависят от их метаболической активности. Биогаз, полученный анаэробным разложением отходов, содержит метан [60%(об.)] и диоксид углерода [40%(об.)]. В газе присутствуют сероводород, аммиак, пары воды; теплотворная способность его невысока – 19,5–19,8 МДж/м³. После очистки и осушки газ должен содержать не менее 98% (об.) СН₂ (теплотворная способность не менее 33,0 МДж/м³), концентрацияH₂S не должна превышать (3–5) 10^-4% (3–5 млн^-1).

Предполагается [12] значительную часть топливного газа в недалеком будущем производить из нетрадиционных источников сырья – анаэробным разложением канализационных стоков, остатков сельскохозяйственной продукции и т. д. При этом подготовка биогаза (очистка его от СО₂, H₂S и осушка с последующей компрессией для хранения и распределения потребителям) с использованием совмещенных абсорбционно-мембранных методов по сравнению с традиционными, например с абсорбцией и адсорбцией, может дать существенный экономический эффект.