Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие
Подождите немного. Документ загружается.
Винтовые погружные мешалки
Для круглых ферментаторов, для которых соотношение диаметр-высота
составляет более чем 2:1 и объем около 1 000 м³, в последние годы себя очень
хорошо зарекомендовали винтовые погружные мешалки (Изобр. 4.38, 4.39).
Электродвигатель, находящийся в водонепроницаемой оболочке мощностью 2,5-25
кВт (в зависимости от размера резервуара) двигает пропеллер. Пропеллер в
зависимости от своего расположения вырабатывает течение в горизонтальном или
вертикальном направлении. Удобным для избежания образования плавающих корок
и осадка является возможность менять высоту расположения мешалки. В качестве
направляющей служит прямоугольная труба. Если мешалка не должна
поворачиваться вокруг вертикальной оси, то для газонепроницаемой изоляции будет
достаточно трубы, нижний конец которой погружается в навоз и по которой проводят
кабель и трос к мешалке. Она будет надежно предохранять проводку (Изобр. 4.38 а).
Для мешалки, которая будет поворачиваться в стороны, трос направляется
роликами. Кроме того на подвижной опоре необходимо установить погружной сосуд,
который наполняется водой и уплотняет подвижную обсадную трубку и
неподвижный штатив (сравн. Изобр. 4.38, 4.39).
Следует также учитывать, что погружные моторы можно использовать при
температурном режиме до 40˚С, поскольку в противном случае они не будут в
достаточной степени охлаждаться. Мешалки с погружными двигателями с прямым
электроприводом работают с высоким числом оборотов до 1500 об/мин и поэтому
преимущественно пригодны для резервуаров в которых бродит исключительно один
навоз, либо для работы в дображивателях либо лагунах, где уже произошло
существенное разложение сухого вещества. Если они все-таки используются в
ферментаторах с соответствующим соотношением резервуар-диаметр и для
которых применяются возобновляемые источники сыръя, то лучше всего
устанавливать два устройства, которые монтируются в противоположных концах
друг против друга. Кроме того с целью предотвращения образования осадка можно
установить дополнительно еще третью мешалку.
Диаметр ротора двух- либо трехлопастных мешалок зависит
преимущественно от числа оборотов и пребывает в пределах 300-700 мм. Кроме
винтовых погружных мешалок с электрическим приводом, применяются также
пропеллерные мешалки с тяговым приводом.
Для того чтобы перемешивать при помощи винтовых погружных мешалок
субстраты с высоким содержанием СВ, компании предлагают двухлопастные
мешалки с диаметром ротора 1000-1600 мм, которые работают с числом оборотов 0-
160 либо 0-100 об/мин (Изобр. 4.40). Для привода устанавливают гидравлический
аггрегат с двигателем на 15 кВт.
Похожую функцию как и винтовые погружные мешалки выполняют
поворачиваемые штативные миксеры (Изобр. 4.41), которые вводят либо через
перекрытие резервуара, либо через стену. В этом случае двигатель находится
снаружи и через удлиненный вал приводит в движение пропеллер. Эти мешалки в
отличие от винтовых погружных мешалок могут работать при температуре субстрата
существенно выше 40˚С. Для вязких, содержащих волокна субстратов следует
обратить внимание на то, чтобы мешалка могла поворачиваться не только в
вертикальном, но и горизонтальном направлении. Штативные миксеры могут быть
также оснащены режущими устройствами для измельчения волокон. Для этого
применяют либо пропеллеры с наваренными зубцами (наплавленный валик) или
специальные, серповидные режущие устройства, устанавливаемые дополнительно
кроме пропеллеров на валу мешалки. Режущие устройства не только рыхлят
субстрат в ферментаторе, но также измельчают и разрежают твердый навоз в
резервуаре предварительного хранения.
Централизованно с верху
перемешивают преимущественно в
ферментаторах с объемом свыше
1000 м³ и соотношением диаметр-
высота около 1:1,2. Электромотор
и коробка передач в этом случаэ
располагаются снаружи. В
зависимости от геометрической
формы резервуара и субстрата, на
ось устанавливают одну либо
более лопастей. В отличии от
названных выше ферментаторов, в
которых перемешивание происходит преимущественно в горизонтальном
направлении, такие мешалки производят перемешивание в направлении с верху в
низ (Изобр. 4.42).
Весловые мешалки (низкооборотные) как правило имеют число оборотов
менее 40 об/мин и рассчитаны на режим работы в длительных интервалах. Лопасти
имеют размах от 1 до 2 м, а иногда и более. Специфическая общая потребляемая
мощность составляет ок. 0,1 кВт/м³ объема ферментатора – если объем от 100 м³,
то это сравнительно немного. Бродильный субстрат должен постоянно
поддерживаться в гомогенном состоянии. Из-за этого отпадает необходимость в
дополнительной производительности мешалки по разрушению образовавшихся
расслоений. Мешалки, применяемые централизованно сверху, которые были
разработаны компанией „Krieg&Fischer” можно вынимать даже если ферментатор
заполнен.
Сравнительная таблица мешалок с погружными моторами и удлиненными
валами
Мешалки с погружными моторами Мешалки с удлиненными валами
+ многолетний опыт применения
+ работают частыми циклами по 5-15 мин
+ меняется высота, полностью погружаются в
субстрат
+ быстро вращающийся пропеллер, хорошо
разрушают плавающие корки
+ двигатель находится снаружи
+ возможно последовательное медленное
перемешивание
+ можно монтировать насквозь в перекрытии
ферментатора либо стене ферментатора,
горизонтально со стороны или вертикально
сверху
- подвержены воздействию материала
- большая потребность в электроэнергии при
запуске
- высокое число оборотов приводит к высокому
энергопотреблению и высокому износу
оборудования
- при определенных условиях плохо разрушаются
плавающие корки
Таблица 4.5: Преимущества и недостатки мешалок с погружными двигателями и
удлиненными валами [76].
Мешалки ферментатора с целью оптимизации энергопотребления должны
быть приведены в соответствие с геометрической формой резервуара и
особенностям субстрата. Для субстратов с ярко выраженной склонностью к
расслоению лучше всего подходят централизованные вмонтированные в
перекрытие штативные миксеры, расчитанные на длительные цыклы работы
(низкооборотные мешалки) по сравнению с погружными мешалками (как правило
высокооборотные). Энергопотребление в отдельных случаях будет также
существенно ниже (сравн. также Таблицу 4.5).
Мотовилочные мешалки также работают на механике, но с вертикальным,
эксцентрично расположенным валом. Во избежание образования или с целью
разрушения осадочных слоев и плавающих корок они по большому счету не
достаточно эффективны, по сравнению с описанными ранее весловыми мешалками
и поэтому едва находят себе применение на сегодняшний день.
4.6.2 Гидравлические мешалки
Системы гидравлического перемешивания используют как правило мощный
центробежный насос, который будет отвечать также за наполнение ферментатора
из смешивательного резервуара, а также за наполнение цистерн из резервуара
хранения. Желаемая функция устанавливается путем изменения направления
подачи субстрата с помощью запорного шибера. Отсос и спуск субстрата должен
происходить таким образом, чтобы содержимое ферментатора по-возможности
полностью перемешивалось. Для этого используют смешивающие воронки, которые
вращаются в вертикальное или горизонтальное положение (Изображение 4.43).
Наилучшего эффекта перемешивания удается достичь с помощью аггрегатов, в
которых струя подачи проходит через 3-ступенчатый шибер, после чего попадает в
кратер в нижней и верхней части ферментатора. Гидравлическое перемешивание
имеет то преимущество, что в ферментаторе не находится подвижных, а
следовательно и знашиваемых деталей. Они находятся за пределами резервуара и
легки в обслуживании. Использование гидравлических мешалок ограничивается
лишь легкотекучими субстратами, не склонными к образованию плавающей корки и
осадочных наслоений.
Для систем перемешивания в которых используется давление газа
(биогазовые установки типа BVT и VSP) давление образованного биогаз
применяется для проталкивания части субстрата из главного ферментатора в
дображиватель с болем высоким уровнем жидкости (Изобр. 4.44). Для этого
перекрывают один вентиль газопровода, ведущего к накопителю и накапливают
таким метолом газ в верхней части ферментатора. Через соединительный канал
навоз поступает в дображиватель, где этим самым поднимается уровень
наполнения. Если опять открыть вентиль, то газ будет вытекать в газгольдер;
субстрат с большой скоростью будет поступать назад в ферментатор и таим
образом будет происходить перемешивание. Открывание и закрывание газового
клапана происходит автоматически. Такая система не имеет износа механических
частей и не потребляет тока на перемешивание, но учитывая постоянную работу с
высоким давленим, высокими являются расходы на строительство и большое
внимание уделяется абсолютной непроницаемости ферментатора.
Пневматические мешалки
Это самое касается и пневматического перемешивания через прессование
биогазом. Пузырьки газа, которые будут подниматься будут создавать лишь
вертикальное движение в субстрате. Такой темп мешалок пригоден лишь для
субстрата, для которого важным является неполное перемешивание, чтобы достичь
эффекта гигиенизации. Если встроить раздельную стену в ферментаторе, можно
создать такое же течение как и в лежащих ферментаторах из цистерн. Чтобы
предпринять более целенаправленное действие компрессора на субстрат, следует
распределить подачу газа на многие вентили. Этот тип мешалок тоже пригоден в
первую очередь для легкотекучих субстратов.
4.7 Отопительные устройства и получение тепла для обогрева процесса
Как уже излагалось в Главе 2, мощные биогазовые установки, работающие в
наших климатических условиях должны обогреваться с тем, чтобы выдерживать
необходимые температурные режимы и выравнять внешние теплопотери. Субстрат
обогревают как правило при помощи созданного круговорота горячей воды или
теплообменника. Необходимое для этого
количество тепла покрывает как правило
тепло, вырабатываемое генератором.
4.7.1 Внешние теплообменники
При использовании внешних, расположенных вне ферментатора
теплообменников, субстрат и горячая вода в противотоке прокачиваются через
теплообменники. Принцип противотока очень эффективен с точки зрения
термодинамики. На практике себя хорошо зарекомендовали теплообменники с
двойной трубой и спиралью (Изобр. 4.45).
В теплообменниках с двойной трубой субстрат протекает по центральной
трубе. В трубе-оболочке течет горячая либо холодная вода. Чтобы передать тепло
от горячего субстрата напрямую в противотоке, такие теплообменники не подходят.
В пршлом себя хорошо зарекомендовала конструкция с прямыми трубами, которые
в больших установках собирают в пучки. Интересным вариантом являются завитые
спиралью теплообменники. При одинаковой мощности они занимают меньшую
площадь, но их мощность ограниченна. Работы по очистке теплообменников с
двойными трубами являются затратными.
Более широкий спектр применения имеют спиральные теплообменники,
отличающиеся очень компактной и экономящей место конструкцией при высокой
теплообменной мощности. Для них в качестве субстрата может выступать также
горячая либо холодная среда. По причине принципа конструирования они могут
иметь модульное построение и легко дополняться, а кроме того они легки в
обслуживании и мало забиваются. Дальнейшими качественными характеристиками
является долговечность в эксплуатации и сохранение высоких еплообменных
качеств и сравнительно небольшие потери давления.
Внешние теплообменники имеют решающее преимущество, что они
незевисимы от ферментатора. Из-за незначительных инвестиций их применяют в
первую очередь на больших установках – от 10 000 м³/год.
При помощи одного внешнего теплообменника можно обогревать несколько
резервуаров. В этом случае внутренние системы теплообмена обойдутся не
дешевле.
4.7.2 Внутренние теплообменники
Внутренние, тоесть расположенные в ферментаторе либо на нем
теплообменники работают по иному принцыпу. При этом перекачивается лишь
горячая вода, но не субстрат.
Отопление, вмонтированное в днище
Для вертикальных ферментаторов в плите основания закладывают
отопительные трубы с искусственных материалов (а именно такие, которые имеют
защиту от проникновения кислорода). Теплоизоляция из плит с экструдированной
полистирольной твердой пены в этом случае располагается под плитой основания.
Как и при обогреве пола жилых помещений при строительстве домов, трубы
прокладывают кругами одинаковой длинны и паралельно подключают к
распределителю для поддержания низкого гидродинамического сопротивления.
Если система отопления работает как открытая не под давлением, то можно
использовать недорогие трубы из полиэтилена и в зависимости от площади
поверхности пола выбирать диаметр ½, ¾ или 1”. Открытая система применяется
лишь тогда, когда горячей водой будет обслуживаться только биогазовая установка,
но не жилые помещения. Отопление жилых помещений имеет закрытую систему и
пребывает под давлением 2-3 бара. Для него также применяются существенно
более дорогие трубы для отопления пола.
Если трубы отопления закладывают в железобетонные плиты, то необходимо
получить подтверждение о статической устойчивости бетонной плиты. Кроме того
для отопления в днище необходимо убедиться, что не образовывается толстого
осадочного шара, который будет препятствовать теплообмену. Мощная мешалка
таким образом является важным компонентом.
Отопление, вмонтированное в стену
При использовании отопления, вмонтированного в стену, в настоящее время
преимущественно распостранено два варианта, а именно трубы отопления в стене
резервуара (Изобр. 4.46) или трубы отопления перед стеной резервуара.
Трубы отопления в стене резервуара
Для круглых, вертикальных резервуаров часто применяют стенное отопление
с трубами из искуственных материалов (Изобр. 4.46). Для резервуаров с
монолитного бетона, трубы из сетчатого полиэтилена – диаметром 22-25 мм –
аналогично с отоплением в днище, заливаются в стену. Устанавливают шесть и
более отопительных колец, чтобы удовлетворить необходимые потребности в
отоплении
. Одно отдельное отопительное кольцо имеет длинну около 100 м.
Необходимо также предоставлять доказательства статики.
Трубы отопления перед стеной резервуара
Альтернативой интегрированному в стены отоплению служит не
бетонирование труб, а их крепление внутри на расстоянии друг от друга (Изобр.
4.47). Трубы прокладывают в форме спирали и устанавливают систему вентиляции
снизу вверх. В
зависимости от диаметра труб и размеров резервуара, трубы
подключают паралельно по два или более кругов. Следут как минимум выдержать
расстояние от дна в 20-50 см. Важно чтобы при внутреннем расположении, тоесть
когда система отопительных труб погружена в бродильный субстрат, чтобы трубы
омывались. Таким образом удается избежать „мертвых зон”, в которых бы не
происходило теплообмена. Недостатком расположенных внутри труб с искуственных
материалов является, что:
Повреждения твердыми предметамивследствии изменения уровня
наполнения;
Из-за диффузии проблематичных субстанций в отопительную воду могут
повредиться трубы и система отопления.
При определении размеров расположенных внутри стен теплообменников
стоит учесть что при остановке мешалки и при работе с вязкими субстратами
существенно теряют производительность.
Если резервуар сделан из железа, то трубы из искуственных материалов
обворачивают вокруг резервуара. Теплообменные характеристики на погонный метр
трубы отопления в этом случае существенно ниже чем в систе6мах, когда субстрат
омывает систему трубопровода. Дешевый и надежный для эксплуатации монтаж
компенсируется повышеным количеством материалов и затратами на них.
Альтернативою трубам из искуственных материалов могут быть металические
трубы с гладкими стенками или гофрированные бесконечные трубы из
нержавеющей стали.
Трубы с гладкими стенками из металла и диаметром 100 мм в ферментаторе, в
качестве теплообменников используются часто, поскольку:
Они позволяют надежное крепление на стене
Достаточно иметь лишь часть трубы
Гладкие металические трубы имеют лучшие свойства по протеканию и
характеристики материала с точки зрения теплообмена.
На бетонной стене труба размещают на расстоянии в 20 см от стены. В
зависимости от размеров установки и уровне температуры прокладывают от 1 до 4
колец. Большее количество колец уменьшает риск по выходу из строя. Трубы
подстраивают под диаметр резервуара, поставляются в согнутом виде и
привариваются к резервуару.