Глава 3. Нагревательные устройства биогазовых реакторов
Чтобы обеспечить необходимую для процесса брожения температуру и по возможности поддерживать ее на постоянном уровне, подаваемый в реактор субстрат приходится подогревать до нужной температуры, зависящей от выбранного режима сбраживания. При этом, конечно, подогревать необходимо с некоторым «избытком», чтобы компенсировать тепловые потери через стенки реактора в окружающую среду.
В принципе субстрат можно подогревать или в рабочем пространстве, или в устройстве, питающем установку субстратом. А поскольку резкие перепады температуры отрицательно влияют на ход процесса, необходимо по возможности сочетать подогрев субстрата с интенсивным его перемешиванием.
Для небольших реакторов с перемешивающими устройствами для обеспечения необходимой температуры субстрата вполне подходят доступные теплообменные нагревательные устройства, например, шланги (рис. 6), плоские теплообменники, через которые прокачивают горячую воду (температура воды не выше 60° С). Такие теплообменники при очистке реактора приходится из него вынимать.
Нагреватели, встроенные в стенки реактора, целесообразны лишь в том случае, если эти стенки будут находиться внутри субстрата, как это происходит в двухкамерном реакторе с внутренней перегородкой (см. рис. 1,г; 1,д; 2).
Кроме того, подогрев субстрата осуществляют и непосредственно теплоносителем, подавая в субстрат горячую воду (см. рис. 4) или даже пар. Поскольку вода одновременно необходима для разбавления загружаемого субстрата, в котором содержится значительное количество твердых частиц, этот метод часто достаточно эффективен.
Подогрев субстрата подачей в последний пара под давлением ведет к повышению содержания влаги в получаемом газе. Поэтому в данном случае перед использованием газ приходится «подсушивать» в специальных установках. Однако при наличии биореакторов, например,характерных для коммунальных хозяйств, занимающихся очисткой стоков, этот способ подогрева выгоден, так как здесь пар — самый эффективный теплоноситель.
Повышают температуру субстрата также с помощью теплообменников, расположенных вне реактора. Однако внешний обогрев следует применять только в сочетании с системой принудительной циркуляции субстрата, что хотя и влечет за собой соответствующее повышение затрат, но позволяет надежно поддерживать нужную температуру брожения. При этом благодаря одновременному подогреву и перемешиванию свежего и циркулирующего субстратов разница между температурами поступающего в камеру и уже имеющегося там субстрата будет незначительной, что очень важно. Кроме того, при перемешивании субстрата предотвращается скопление твердого осадка на поверхности теплообменника. И, наконец, расположение теплообменников вне рабочего пространства реактора значительно облегчает доступ к ним для обслуживания и ремонта.
При постоянном перемешивании субстрата осуществляется равномерное распределение в жидкости находящихся в ней твердых веществ, различающихся по размеру, форме и плотности, что служит предпосылкой беспрепятственного и эффективного протекания процесса брожения.
Механические мешалки. Подобные мешалки достаточно эффективны в небольших реакторах при переработке тяжелых субстратов. Однако если используются субстраты с малой вязкостью, да к тому же содержащие мало веществ, склонные к осаждению или образованию плавающей корки, то механические перемешивающие устройства применяют и в относительно крупных реакторах.
Конечно, механические мешалки наиболее практичны для простых небольших биогазовых установок, используемых в индивидуальных хозяйствах. В качестве такой мешалки может служить, например, обычный вал с лопатками, приводящийся в движение «от руки».
Гидравлические перемешивающие системы. Содержимое крупных реакторов, особенно цилиндрической формы, часто перемешивают гидравлическим способом, то есть с помощью потоков (струй) жидкости, поступающей в реактор.
Перемешивание с помощью газа. Хорошее качество перемешивания получают, нагнетая образующийся в результате брожения газ в жидкий субстрат. Однако при этом субстрат не должен быть слишком вязким и склонным к образованию плавающей корки. Если этими качествами субстрат не обладает, при использовании газа придется непрерывно удалять из субстрата всплывающие частицы или отделять крупные твердые частицы от субстрата перед поступлением его в реактор.
Для нормального функционирования газовых нагревательных приборов в хозяйстве объем газа, вырабатываемого биогазовой установкой, в идеале должен соответствовать объему газа, расходуемого потребителем в каждый данный момент. Но очевидно, что на практике такого соответствия добиться невозможно и обычно объем газа используемого либо больше, либо меньше объема газа производимого. Поэтому, чтобы рационально применять биогаз в хозяйстве, необходимо предусмотреть аккумулирование («собирание») газа в специальной емкости, называемой газгольдером.
Вообще-то аккумулирование газа — дело не новое и в коммунальных сетях газоснабжения служит с давних пор для выравнивания колебаний (пиков) потребления газа, различий в его качестве, а также отклонений фактической производительности газовых установок от расчетной по каким-либо причинам.
Все это, разумеется, справедливо и для биогазовых установок. Так, пики в потреблении газа могут возникать:
• на протяжении суток (в полдень и вечером — во время обеда и ужина);
• в течение недели (в дни с особенно большой потребностью в горячей воде, например, для стирки и мытья);
• в различные периоды года (во время консервирования овощей и фруктов, сушки сельскохозяйственных продуктов, в течение отопительного сезона в холодное время года).
Поэтому ясно, что газгольдеры к биогазовым установкам просто необходимы. Ниже приводятся основные варианты газгольдеров, как известные из практики коммунального снабжения природным газом, так и из опыта использования биогазовых установок.
Мокрый газгольдер низкого давления колокольного типа. В газгольдерах подобного типа газ скапливается под колоколом (колпаком), края которого погружены в жидкость, образуя гидравлический затвор. На рис. 7 приведен газгольдер, края колокола которого погружены в воду. Давление газа под колоколом определяется весом жидкости, вытесненной из-под колокола газом или весом самого колокола, если последний плавает в жидкости, и в таких газгольдерах не превышает 5 кПа.
В настоящее время практически все эксплуатируемые в Восточной Азии простейшие биогазовые установки оснащены такими мокрыми газгольдерами с колпаками, которые обычно располагаются (плавают) непосредственно в бродильной камере в самом жидком навозе. Небольшие потери газа по периферии колокола не играют роли. Недостаток этих газгольдеров в наших условиях — опасность замораживания субстрата зимой, что вызывает необходимость в отоплении резервуара биогазовой установки.
Сухой газгольдер низкого давления. Для создания в таком газгольдере постоянного давления в корпусе последнего предусмотрена уплотняющая манжета, на которую постоянно давит груз, подвешенный через блоки на тросиках. Так что, когда количество газа в резервуаре уменьшается и давление в нем падает, груз опускается, поддерживая нужное давление (рис. 8). В сухом газгольдере рабочее давление обычно составляет 2...5 кПа. Кстати, в отличие от мокрого (водяного) газгольдера сухому газгольдеру массивный фундамент не требуется, а основание газгольдера легко герметизировать с помощью какой-либо синтетической пленки, поэтому в среднем сооружение такого газгольдера обходится примерно на 20% дешевле, чем мокрого.
Оболочковый газгольдер низкого давления. В качестве емкости для газа здесь служит герметическая оболочка (подушка). Груз, подвешенный через блоки на тросиках, постоянно давит на подушку, создавая в ней соответствующее давление газа. Отметим,что такая конструкция газгольдера требует устройства фундаментной плиты достаточной прочности. Для защиты от повреждений газгольдер помещают в специальный кожух (рис. 9).
Оболочковые газгольдеры широко применяются в установках для очистки городских стоков.
Стоимость используемых в настоящее время газгольдеров номинальной вмести мостью до 200 м3 (такие газгольдеры чаще всего применяются в принадлежащих фермерским хозяйствам биогазовых установках) исключительно высока и составляет 20...30% стоимости всей установки. Поэтому, исходя из экономических соображений, газгольдер выгодно использовать только для выравнивания суточных пиков в потреблении газа, то есть не следует строить газгольдер больших размеров, а лучше попытаться обеспечить, например, с помощью рационального подбора газопотребляющей аппаратуры возможно более равномерное (без пиков) потребление газа.
С другой стороны, приходится искать новые конструктивные решения, позволившие бы снизить затраты на сооружение и обслуживание газгольдеров, что особенно необходимо для установок небольших размеров.
С точки зрения первого фактора (нагрузок) простейшие колпаки из пленки (рис. 10) имеют некоторые недостатки. Так, при отсутствии газа (в начале работы, в случае повреждения пленки) они опускаются на поверхность навоза, а при сильном ливне на пленке может скопиться большое количество воды. Однако, с другой стороны, большие надувные сооружения при избыточном давлении газа примерно 0,3 кПа надежно противостоят даже сильному ветру. (Для создания давления газа на колпак укладывают груз.)
Защитные колпаки (рис. 11) обычно используют для укрывания навозохранилищ и осветителей городских стоков с целью предотвращения распространения запаха. Отметим, что несущая часть конструкции находится снаружи емкости из пленки и таким образом защищена от агрессивной внутренней среды.
Что касается газгольдеров — простых пленочных мешков, то для получения в них соответствующего давления газа применяют ящики с камнями или гравием, устанавливаемые (на подвижной площадке) на сам мешок (рис. 12).