BULLETIN OF NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN
ISSN 1991-3494
Volume 6, Number 364 (2016), 132 – 144
O. V. Zhirnova, B. T. Imanbek, A. Zh. Toigozhinova, A. E. Ikhsan, T. S. Turikanov, A. Orazalin Kazakh National Research Technical University after named K. I. Satpaev, Almaty, Kazakhstan.
E-mail: [email protected]
MODELING AND DIAGNOSTICS DURING
Введение. В современном мире интенсивно развивается использование энергии биогаза и природного газа. Получение электро- и теплоэнергии возможно путем совместного сжигания при- родного газа и биогаза, полученного из биологической переработки. А также в настоящее время все большее значение в Казахстане приобретают вопросы экономии материалов и топливно-энер- гетических ресурсов, охраны окружающей среды. В этих условиях развитие коммунального хозяй- ства немыслимо без освоения нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ).
Преимущества их в том, что они неисчерпаемы и экологически чистые. Осадки, образующиеся в процессе очистки сточных вод и продукты их переработки, в первую очередь биогаз, являются существенными потенциальными источниками энергии в системах водоотведения. Газ, получен- ный в результате сбраживания осадков в метантенках, используют в теплоэнергетическом хозяй- стве очистных станций и на близрасположенных объектах. Одним из основных путей снижения объема выбросов парниковых газов и экономии традиционных видов топлива является замена ис- копаемого топлива на возобновляемые источники энергии. Одним из таких источников может быть биогаз [2].
Основными критериями при выборе технологии энергетического использования биогаза явля- ются экономические показатели и величина снижения эмиссии парниковых газов при допустимой величине выбросов загрязняющих веществ. Если экономические критерии известны и достаточно эффективно используются на практике, то существующие экологические критерии не позволяют объективно сравнивать различные технологии и оборудование, использующие различные виды биотоплива, а также полностью учесть влияние вида и качества заменяемого топлива [3].
Современная технология очистки городских сточных вод связана с потреблением значитель- ных количеств электрической и тепловой энергии. Только на коммунальных очистных сооружен- иях ежегодно затрачивается свыше 735 млн кВтч электроэнергии и около 1 млн Гкал тепла. В ус- ловиях острого энергетического кризиса проблема снижения указанных энергозатрат за счет использования нетрадиционных источников энергии, имеющихся на самих очистных сооружениях и постоянно возобновляющихся, является остро актуальной. Направление, охватывающее все методы получения и использования энергии и топлива из органического сырья (осадков), получило название биоэнергетика. Разработка этого направления приведёт к значительной экономии тради- ционных видов топлива. Не менее важен и природоохранный аспект, так как энергетическая пере- работка органических отходов значительно уменьшит загрязнение окружающей среды. Для эффек- тивного решения проблемы обработки осадков разработан проект, целью которого является сниже- ние отрицательного влияния осадков сточных вод на окружающую среду, усовершенствование их транспортирования, обезвоживания и утилизации; создание самоокупающейся, экологичной и энергосберегающей технологии.
Реализация проекта предусматривается путем создания комплекса сооружений обработки осадков сточных вод, включающего их анаэробное сбраживание в метантенках, использование биогаза для получения электроэнергии в двигатель-генераторах с рекуперацией сбросного тепла для подогрева осадков и механическое обезвоживание всего объема осадков с использованием флокулянтов. При этом сложность методов прямых полевых измерений и их высокая стоимость являются причиной того, что такого рода исследования малочисленны. Разнообразие местных ус- ловий, разнородность объектов исследования, их изменчивость во времени затрудняет получение статистически достоверных результатов и требует проведения многолетних исследований. Пред- ставляет интерес возможность сбора биогаза, продуцируемого на в процессе анаэробного сбражи- вания в биологических реакторах, и его использование в качестве энергетического сырья. Ежегод- ная эмиссия метана в мире ценного энергетического компонента биогаза, превышает 1 млрд м3/год.
Этот потенциал в настоящее время практически не используется. Большой вклад в изучение со- стояния процесса сбора и сжигания биогаза, процессов разложения осадков сточных вод, газовых эмиссий, разработку технологий сбора и утилизации биогаза, решение сопутствующих экологи- ческих проблем внесли работы Г.А.Заварзина, В.В.Елистратова, Ю.М.Лихачева, А.Б.Лифшица, Е.Е.Мариненко, АН.Мирного, А.Н.Ножевниковой, Е.С.Панцхава, В.В.Разнощика, Г.С.Розенберга, Е.Г.Семина, М.П.Федорова, Б.Вебера, Р.Коссу, О.Табасарана, Р.Штегманна, М.П.Федорова, В.И.Масликова, Е.Р.Лиллепярг, А.В.Черемисина, С.С.Нуркеева и других [3]. В связи с этим высо- коинформативные натурные эксперименты являются единичными, особенно в отечественной
практике. Поэтому основным инструментом исследований остается использование современного математического аппарата и математического моделирования процессов метаногенеза во времени.
Моделирование должно рассматриваться с одной стороны в качестве приблизительного индика- тора ожидаемых тенденций образования биогаза, с другой использоваться шире и более гибко в зависимости от поставленных задач.
Целью данного проекта является разработка метода и модели, позволяющих в процессе сжига- ния (окисления) углеводородного газа произвольного (или с минимальными ограничениями) состава, определять этот состав, а так же состав продуктов сгорания в режиме реального времени.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач. На основании проведенных ранее исследований по разработке различных моделей по сжиганию различных углеводородов разработать общую математическую модель для решения поставленной цели. Тепло, газ, качест- венные удобрения являются только побочным, полезным эффектом установок для биотехнической переработки органических отходов, а главная составляющая ценности – сохранение экологической среды. Первыми реальными пользователями просто будут вынуждены быть предприятия по пере- работке сельхозпродукции. Причины: глобализация, стандарты, необходимость пускать на свои территории международные инспекции по контролю производства. Пока биогазовые системы не стали массовыми в связи с отсутствием эффективных, дешевых и надежных систем для широкого спектра объемов переработки. Существующие установки биопереработки отходов являются доро- гими, слишком чувствительными к составу отходов, сложными в эксплуатации. Это делает их не- конкурентными относительно альтернативных источников энергоснабжения и химических удобрений. Цели разработки – создание комплекса имитационных моделей биореакторных систем для интенсивного поиска эффективных модульных конструкций и методов управления процессами биопереработки.
Методы исследования. Биогаз – это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в про- цессе анаэробного сбраживания в биологических реакторах – метантенках. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90% той, которой обладает исходный материал [3]. Результаты их исследований подготовили теоретические и практические основы для моделиро- вания процессов разложения осадков сточных вод, создали предпосылки для оценки биогаза в качестве энергетического сырья. Практическое использование биогаза требует определения реаль- ного энергетического потенциала, величина которого зависит от множества факторов. Казахстан- ским очистным сооружениям присущи специфические особенности, связанные с составом осадков сточных вод, технологией складирования, природно-климатическими условиями, что требует конкретизации накопленных знаний, уточнения математических моделей для прогнозирования эмиссии биогаза и содержания в нем метана, в том числе с использованием лабораторных экспе- риментов.
Очистная станция предназначена для очистки сточных вод и обработки осадков, сбраживания отходов в метантенках, добычи биогаза и дальнейшего сжигания для получения тепловой и элек- трической энергии. Она компонуется из комплексов очистных и вспомогательных сооружений, связанных между собой инженерными коммуникациями в единую технологическую схему [1]. На рисунке 1 приведена технологическая схема до очистки бытовых сточных вод на отдельно стоящих безнапорных фильтрах. Для гашения напора перед сооружениями установлена приемная камера.
Из камеры стоки по лоткам поступают на решетки, далее насосами подаются в распределительную камеру песколовок. После песколовок стоки попадают в распределительные чаши первичных отстойников. После отстаивания стоки направляются на биологическую очистку. Метантенки яв- ляются единственными сооружениями с положительным энергетическим балансом, в которых в результате анаэробного сбраживания осадков, полученных при очистке сточных вод, образуется биогаз. Теплотворная способность и количество биогаза зависит от его состава, т.е. от содержания основного компонента – метана и составляет 5000–6000 ккал /м3.Из 1 м3 биогаза можно получить до 2 кВтч электроэнергии и до 6 кВтч тепловой энергии в отопительно-производственных котель- ных. Вода после прохождения сооружений биологической очистки поступает в приемный резер- вуар, оборудованный погружными насосами. Насосы подбираются в зависимости от расчетного расхода сточных вод очистных сооружений. Из приемного резервуара вода с помощью насосов направляется в распределительную камеру 3, откуда самотеком снизу вверх подается на фильтр 4.
Рисунок 1 – Технологическая схема до очистки бытовых сточных вод на отдельно стоящих безнапорных фильтрах ГКП «Астана су арнасы»:
1 – вода после сооружений очистки; 2 – приемный резервуар с насосами; 3 – распределительная камера;
4 – песчаный фильтр; 5 – сорбционный фильтр; 6 – хлораторная; 7 – промывной насос; 8 – резервуар чистой воды;
9 – сброс очищенной воды; 10 – сброс грязной промывной воды.
Очищенная вода собирается в карман, где смешивается с гипохлоритом натрия и подается на вто- рую ступень фильтров 5. Вторая ступень фильтров загружена сорбентом, и подача воды осуще- ствляется сверху вниз. Фильтры оборудуются промывными насосами 7. Промывка фильтров осу- ществляется очищенной водой из резервуаров чистой промывной воды 8. Гипохлорит натрия готовится в хлораторной 6.
На напорных фильтрах подача воды осуществляется сверху вниз. Ввод гипохлорита натрия производится в напорный трубопровод второй ступени фильтра через гидроэлеватор. Задержанные на решетках отбросы в ручную собираются в контейнеры и вывозятся на городскую свалку. Осадок из песколовок откачивается эрлифтами на песковые площадки для просушки. Сырой осадок из первичных отстойников насосами, установленными в насосной станции сырого осадка, удаляется на сбраживание в метантенки и далее на цех механического обезвоженного осадка где обезвожи- ваются на ленточных пресс-фильтрах производства «ЭМО». После первичного отстаивания стоки содержат загрязнения в виде мелкой суспензии, в коллоидном состоянии и в растворенном виде.
Дальнейшая очистка предусматривает использование микроорганизмов, которые извлекают загрязнения из стоков в специальных сооружениях – аэротенках. Осветленные в первичных от- стойниках стоки направляются в аэротенки по трубопроводу. Смесь очищенных стоков и актив- ного ила поступает во вторичные отстойники, где ил оседает, а стоки отводятся в испаритель- накопитель. На рисунке 2 изображена схема процесса, приема, очистки и сброса сточных вод на очистном станции ГКП «Астана су арнасы» [1]. В результате анаэробной очистки органические соединения разлагаются до метана и углекислого газа (биогаз). Биогаз, содержащий 75-80% метана безопасно сжигается на факельной установке ТЭЦ (котельной) (рисунок 3). Существует возмож- ность использования биогаза для получения пара, горячей воды или электроэнергии. Биогаз из пункта управления газгольдерами направляется в помещение компрессорной, где давление биогаза повышается до 5 кгс/см2.
В результате компримирования биогаза его температура увеличивается до 100оС. Так как температура биогаза на входе в электроагрегат не должна быть выше 25оС, то после компрессоров предусмотрена установка для охлаждения биогаза, состоящая из теплообменников. Из них охлаж- денный компримированный биогаз подается в двигатель-генератор, который вырабатывает трех- фазный ток напряжением 6,3 кВ, частотой 50 Гц, мощностью не менее 1000 кВт, подаваемый через распределительное устройство 6,3 кВ потребителям электроэнергии станции биологической очист- ки. Утилизация сбросного тепла электроагрегата осуществляется следующим образом. Вода после охлаждения двигателя догревается в теплообменниках «КС» отходящими от двигателя выхлоп- ными газами и подается в теплообменники, где происходит подогрев осадка, загружаемого в ме- тантенки. Охлажденная в этих теплообменниках вода возвращается в систему двигателя [3].
Теплообменники «КС» установлены вблизи глушителя выпуска выхлопных газов двигателя. В теплообменники «КС» подается вода из системы охлаждения двигателя с температурой 58,5оС, а
Рисунок 2 – Схема процесса, приема, очистки и сброса сточных вод
Рисунок 3 – Схема выработки энергии на блок-ТЭЦ
отводится от теплообменников с температурой 65,5оС и насосами подается в теплообменники для подогрева осадка, подаваемого в метантенки, до температуры 44оС. К теплообменникам «КС» под- водятся выхлопные газы температурой 300оС. Охлажденные выхлопные газы (120оС) выводятся в атмосферу через глушитель выхлопа. Теплообменники для подогрева осадка и насосы непрерыв- ной загрузки осадка в метантенки должны быть установлены вблизи существующих метантенков.
Таким образом, анаэробное сбраживание осадков городских сточных вод с последующим исполь- зованием образующегося биогаза в качестве моторного топлива для двигатель-генераторов по- зволит решить комплекс важнейших задач, а именно: технологических, обеспечивающих получе- ние стабилизированного незагнивающего осадка; энергетических, дающих возможность компенси-
НС станция
на входе Песко-
ловка Пер.
отстойник Аэротенк Втор.
отстойник НС на выходе
ТБО с мех граблей
Песковые площадки
Гравита- ционный уплотнитель
Резерв избы- точного
ила
НС возвр.ила
Резервуар зброженного
ила
Система подачи
воды
Мех.
уплотнитель
Резервуар уплотненного
ила
Метантенка
Установка обезво- живания
осадка
Бункер ила
Очищенная вода.
Накоп.
испаритель Талдыколь
Вторичное использование
технической воды
Карты депони- рования
ровать значительную часть электрической и тепловой энергии, расходуемой на работу воздуходув- ных машин и технологический нагрев осадка, подаваемого на сбраживание в метантенки; эколо- гических, снижающих загрязнение атмосферы метаном и ликвидирующих дурнопахнущие запахи, выделяющиеся при перегнивании нестабилизированных осадков сточных вод.
Смесь биогаза с воздухом может быть взрывоопасной. Но взрывоопасна она в гораздо более узком диапазоне соотношений воздуха и биогаза, чем для смеси природного газа и воздуха. Поэто- му вероятность взрыва смеси биогаза с воздухом при утечке намного меньше, чем при утечках природного газа. Средняя плотность биогаза составляет примерно 1,13 кг/м3, то есть, в среднем он легче воздуха, плотность которого при комнатной температуре составляет около 1,2 кг/м3. Это значит, что при утечке биогаз будет улетучиваться вверх. Но биогаз также будет расслаиваться.
Поэтому если биогаз улетучивается в помещении без сквозняков, то возле пола скопится угле- кислый газ, а возле потолка – метан. Поэтому применение для биогаза – сжигание для получения тепловой энергии. Сжигание такое производится в обычных газовых котлах или горелках,которые используются для сжигания природного газа или пропан-бутана. Но, как было сказано, для опти- мального сжигания биогаза желательно регулировать состав газово-воздушной смеси, если образо- вание такой смеси перед сжиганием предусмотрено конструкцией горелки. Однако, если горелки рассчитаны и на природный газ и на пропан-бутан, это обозначает, что такая регулировка воз- можна, либо не нужна, поскольку для природного газа тоже нужна разная дозировка воздуха. Теп- лотворную способность биогаза можно выразить в калориях или джоулях. Более понятным будет сравнение биогаза по теплотворной способности с природным газом. И там, и там сгорает метан, содержащийся в этих газах. Значит энергия, выделяемая при сгорании этих газов, пропорциональ- на количеству содержащегося в них метана. В природном газе содержится 92-98% метана, а в био- газе – 55-75%. Возьмем средние величины – 95% и 65%.Соотношение метана в этих газах полу- чается 65/95 = 0,68. Это примерно две трети. Значит, для выполнения одной и той же тепловой работы (нагрева помещения, приготовления пищи) биогаза надо в полтора раза больше, чем природного газа. КПД газовых котлов обычно составляет 90-95%. При работе газового котла на биогазе КПД может получиться меньшим из-за неточных настроек газо-воздушной смеси.
Еще одним способом получения тепла является когенерация. Когенераторы – устройства для получения из биогаза (и не только) одновременно нескольких видов энергии, обычно электричес- кой и тепловой. Бывают поршневые и газотурбинные когенераторы. В первом случае работает классический двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, топливом для которого служит биогаз. Иногда это может быть дизельный двигатель, работающий на смеси солярки и био- газа. Тепловая энергия снимается с такого когенератора в виде горячей воды температурой около 750C, циркулирующей через теплообменник когенератора и нагревающейся там. А теплообмен- ник, в свою очередь, может греться теплоносителем, охлаждающим рубашку двигателя, маслом картера и выхлопными газами. Тепловой КПД при этом может достигать 35-40%. Это неплохо, учитывая еще электрический КПД 30-33%. Во втором случае работает газовая турбина на биогазе.
Тепловая энергия снимается тоже в виде горячей воды, циркулирующей через теплообменник.
Таким образом, утилизация тепла, выработанного из биогаза, зависит от вида нагретого рабочего тела. Горячую воду направляют циркулировать по различным трубам и батареям отопления.
Горячими продуктами сгорания биогаза непосредственно греют емкости с водой, пищей, поверх- ности нагревателей и т.п. Попросту говоря, применение биогаза для получения тепловой энергии ничем кардинально не отличается от применения для этих же целей природного газа или сжижен- ного пропан-бутана. Важным преимуществом такой технологии является также возможность обес- печения автономным энергообеспечением станций биологической очистки при аварийных режи- мах в энергосетях. Таким образом, предложенный комплекс сооружений по получению и утилиза- ции биогаза метантенков позволяет решить проблему снижения энергозатрат при очистке сточных вод за счет использования постоянно возобновляющихся нетрадиционных источников энергии, имеющихся на очистных сооружениях [4]. Управление сжиганием горючего неизвестной тепло- творной способности может быть обеспечено экстремальным регулятором. При заданном расходе горючего путем изменения расхода окислителя (воздуха) обеспечивается стехиометрическое соотношение, что соответствует максимальной температуре продуктов сгорания. Максимальная температура достигается при коэффициенте избытка воздуха α, который равен 1,0. Максимальная
температура достигается при коэффициенте избытка воздуха α, который равен 1,0. Альтернативой такому методу может служить определение состава газа неизвестной теплотворной способности с помощью газоанализатора. Такой метод обладает рядом недостатков: ресурсоемкий, громоздкий, имеет большое время инерции и, как следствие, запаздывание. Поэтому такой метод трудно инте- грируется в автоматизированную систему управления. Для газоанализаторов требуются данные по перечню газов в смеси. Применение газоаналитических приборов усложняется тем, что такие газы содержат в своем составе нежелательные компоненты, которые приводят к ускоренному износу пер- вичных приборов и выходу их из строя. Стоимость системы растет с увеличением этого перечня.
Целесообразно рассмотреть подходы к моделированию и результаты натурных и численных экспериментов в ряде исследований, которые были получены при изучении образования сажи, фактически углерода. В [6] рассматриваются топлива, обладающие свойствами образования сажи, содержащие полициклические ароматические углеводороды (нафталин). Избыточная концентрация кислорода на эффект образования сажи не повлияла. Влияние оказало изменение температуры пламени, расход топлива и продолжительности горения топлива. А в [7] было обнаружено, что в условиях высокой температуры пламени появляется возможность разложить метан на водород и С2 – С4 углеводороды, тем самым снизить формирование бензола и конденсированных фаз, в том числе и сажи. Это означает, что ароматизации/дегидрогенизации сажи в предварительно смешан- ном топливе во время горения больше зависит от характеристик топлива. Результаты рассмотрен- ных материалов [5-7] показали, что созданные и примененные численные модели не являются универсальными и не могут быть взяты за основу изучения сгорания углеводородного газа при изменении во времени концентраций составляющих его частей.
Постановка задачи. Эффективный путь решения этой проблемы – совместимое согласованное проектирование технологий и конструкции установки для переработки отходов, создание компью- терных моделей для накопления опыта и статистики на виртуальной реальности. Биохимические и термодинамические процессы в реакторе существенно нелинейны, нестационарны, неопределенны.
Биореактор сложнее ядерного. Использование "интеллектуальных" регуляторов без изучения био- химических процессов и процессов генетической эволюции микроорганизмов – наилучший путь к окончательной дискредитации биореакторов и интелектуальных систем. Предлагается разработка с двухуровневым регулятором: первый уровень – это разработка биотехнической системы с само- регулированием; второй уровень – разработка регуляторов, которые будут сервисными для биотехнической системы. Аналогом может быть обычный аквариум, где большинство процессов регулируются экосистемой аквариума, а регуляторы обеспечивают нужные температуру, насы- щение кислородом и освещение. Проблемы биореакторов не являются новыми, существует доста- точно источников с достаточно полным анализом процессов и конструкций биореакторов, на- пример [2]. В последнее время растет количество электронных публикаций и патентов по био- реакторам для переработки отходов. Анализ и систематизация литературы невозможны в рамках статьи. На базе просмотренных источников отобраны эмпирические данные о характеристиках процессов анаэробного метанового брожения – процессов, на которых, собственно, строится био- реактор. Структура процесса анаэробного брожения. Центром анализа и проектирования биореак- торов являются естественные процессы переработки отходов соответствующими видами и штам- мами бактерий. Решающий фактор эффективности биореакторов – эффективность и адаптивность культур бактерий. Сегодня идут интенсивные поиски таких культур в природе и выполняются дорогостоящие разработки новых штаммов с нужными свойствами, методами "генетического про- граммирования". На рисунке 4 представлена упрощенная схема процессов анаэробного брожения.
Главная особенность процессов брожения – наличие двух классов бактерий и соответственно – двух типов биохимических процессов. Эта особенность задает направление поиска эффективных структур биореактора, а именно, двухступенчатого с разделением процесса брожения. В этом слу- чае возможно оптимизировать температуру и состав биомассы под конкретный тип бактерий.
Изучение многоуровневых процессов, реализуемых в рамках разработанной технологии, невы- полнимо с точки зрения одностороннего подхода биологических преобразований. Формирование фундаментальных понятий о протекающих реакциях и установление действующих в них взаимо- связей осуществимо лишь при комплексном исследовании всех областей процесса, включающих в себя химические превращения в субстрате, производство биотоплива и получение тепловой энергии.
Рисунок 4 – Схема процесса анаэробного брожения
Результаты исследования. Для реализации комплексной методики опытного исследования осуществлено моделирование экспериментального комплекса, позволяющего одновременно изу- чать поведение характеристик субстрата, биогаза и процесса его горения на различных температур- ных режимах (рисунок 5). Проведено численное моделирование аэродинамических процессов в горелочном устройстве с учетом химических реакций. Моделировались следующие процессы и явления: турбулентность в реагирующей среде, горение биогаза, движение частиц газа и лучистый теплообмен. Моделирование газовой фазы (летучие, кислород) проводилось в приближении Эйле- ра, а расчет траекторий движения твердых частиц выполнен в Лагранжевой постановке. Проведен- ные исследования показали возможность организации процесса сжигания биогаза в горелочном устройстве. На основании результатов расчета геометрия горелки изменялась с учетом недостатков предыдущих моделей:
‒ увеличены объем области горения и выходное сечение устройства, что привело к появ- лению области возвратных течений и зоны установившегося горения, в целом повысив полноту сгорания топлива до 60%;
‒ выполнено перераспределение подвода окислителя до и после области горения, позволив- шее увеличить полноту сгорания на 18-22%%
‒ организован тангенциальный ввод воздуха в камеру смешения, обеспечивший стабильное попадание биогаза в зону горения и отсутствие проскоков частиц в камеру подвода окислителя.
В конечном итоге удалось разработать вихревое горелочное устройство, полнота сгорания топлива в котором на основе результатов моделирования достигает 95%. В ходе опытов фикси- руется значение и изучается взаимосвязь объемов осадка сточных вод и производимого биогаза, их элементного состава, термохимических характеристик субстрата, процессов воспламенения и го- рения биотоплива. Отдельно изучаются процессы производства и горения твердого топлива:
объем, теплота сгорания, зольность, содержание вредных веществ в уходящих газах и др. В любом случае рассмотрение общей технологической цепочки и оптимального взаимодействия между всеми ее элементами следует проводить, начиная с этапа проектирования биогазовой установки.
Это связано с тем, что эффективная работа биогазовой установки является следствием слаженной работы всего оборудования, составляющего технологическую цепочку. Поэтому одно должно полностью подходить по заданным рабочим параметрам, а не представлять собой случайный набор элементов, исполняющих определенные рабочие функции. Для того, чтобы оптимизировать работу биогазовой установки, необходимо также проследить течение ее материальных потоков, для того, чтобы определить ту стадию ее работы, которая тормозит течение всего технологического про- цесса. В качестве примера можно привести оптимизацию за счет изменения состава субстрата, или же более эффективной работы второй ступени.
Оценка полноты сгорания в устройстве проведена для подаваемого топлива. Для выделяюще- гося в процессе сжигания биогаза проанализирована картина концентраций биогаза и ее динамика.
А) Распределение температуры в сечении горелки
с двумя подводами воздуха при 1,3 Б) Распределение массовых концентраций кислорода в сечении горелки с двумя подводами воздуха при 1,3
В) Поле скоростей в сечении горелки при 1,3 Рисунок 5 – Распределение температуры в сечении горелки
Рисунок 6 – Анализ концентраций биогаза и ее динамика
С целью исследования производимого биогаза в качестве топлива для производства электри- ческой энергии использовался лабораторный стенд, закупленный нашим Вузом партнером –
Институт электроники и информационных технологий, Люблинский технический университет г. Люблин, Польша (рисунок 7, 8).
В статье получена математическая модель для процесса сжигания на основе уравнений мате- риального и теплового балансов и метода сеток. Математическая модель определения условной формулы сжигаемого газа произвольного состава. При известных массовых или объемных долях составных частей топлива записывается условная формула топлива в виде
Аb1T(1)Аb2T(2)… АbiT(i), (1) где А(i) - символ і-го химического элемента; biT - количество атомов і-го химического элемента в условной молекуле топлива.