Обязательные компоненты БГУ ‒ сам биореактор и газгольдер для сбора биогаза, ну а устройства для подогрева биомассы, её перемешивания, а также средства контроля ‒ вещи весьма полезные, но можно обойтись и без них. Кроме того, существуют также эластичные реакторы, обычно используемые в странах Юго-Восточной Азии.
В зависимости от типа субстрата, а также с учётом масштабов переработки и имеющихся финансовых ресурсов, в биогазовую установку можно встраивать различные дополнительные устройства.
Нагревательные устройства.
Чтобы получить необходимую для процесса брожения температуру и по возможности поддерживать её на постоянном уровне, следует прежде всего подогреть подаваемый в реактор субстрат до нужной температуры; дополнительный ж е подвод теплоты необходим для компенсации тепловых потерь. В принципе теплоту можно подводить к субстрату в рабочем пространстве реактора или в питающем его устройстве. Поскольку перепады температуры отрицательно влияют на ход биологического процесса, необходимо по возможности сочетать подвод теплоты с интенсивным перемешиванием.
Кроме того, в системе подвода теплоты необходимо предусмотреть, чтобы на поверхностях теплопередачи не могли откладываться взвешенные в субстрате твёрдые частицы (поэтому рекомендуются, например, высокие скорости движения субстрата относительно поверхностей теплопередачи) или чтобы эти поверхности легко очищались.
И наконец, на работу теплообменника не должно влиять присутствие в субстрате твёрдых материалов (например, стеблей соломы, перьев, шерсти).
Подогрев в рабочем пространстве.
Для небольших реакторов с перемешивающими устройствами вполне подходят теплообменные нагревательные агрегаты (например, шланги, цилиндрические или плоские теплообменники), через которые прокачивается горячая вода (< 60°С) и которые можно вынимать из реактора при его очистке.
Нагреватели, встроенные в стенки реактора, целесообразно применять с точки зрения их К П Д лишь в том случае, если они могут передавать теплоту субстрату с обеих сторон стенки, как это происходит в двухкамерном реакторе с внутренней перегородкой (рис. 4.1).
Рис. 4.1 – Двухкамерная бродильная установка, работающая
по проточному принципу:
А – главная бродильная камера, Б – камера для окончательного сбраживания и осаждения шлама, В – накопитель шлама, Г – пространство для накопления газа,
1 – подача жидкого навоза, 2 – отвод круп и одноярусного шлама, 3 – отвод мелкодисперсного шлама, 4 – отбор газа, 5 – перемешивающее устройство, работающее на сжатом газе, 6 – насос
Кроме того, подогрев субстрата можно осуществлять непосредственно, подавая в него горячую воду (рис. 4.2) или пар. Поскольку вода служит одновременно для разбавления и турбулизации субстрата, который при загрузке содержит ещё очень большое количество твёрдых частиц, этот метод может оказаться эффективным. Подогрев субстрата путём введения пара под давлением ведёт к повышению содержания влаги в газе, для устранения которой при подготовке к использованию требуются дополнительные меры. В крупных установках, в особенности в коммунальных установках для очистки стоков, этим недостатком пренебрегают, имея в виду более высокий энергетический КПД.
Рис. 4.2 – Горизонтальный реактор с простейшим перемешивающим устройством
Подогрев подаваемого в реактор субстрата.
Равномерную передачу теплоты субстрату можно обеспечить с помощью теплообменников, расположенных вне реактора. Однако, их следует применять только в сочетании с системой принудительной циркуляции субстрата, что влечёт за собой соответствующее повышение затрат, но позволяет надёжно регулировать температуру брожения. Эта система подогрева имеет преимущество в том, что благодаря одновременному подогреву и перемешиванию свежего и циркулирующего субстрата разница между температурами поступающего в камеру и уже имеющегося там субстрата будет незначительной. Кроме того, надёжно поддерживается скорость перемещения субстрата, необходимая для предотвращения выпадения твёрдого осадка на поверхностях теплообменника. Расположение теплообменников вне рабочего пространства реактора значительно облегчает доступ к ним для обслуживания и ремонта. В качестве нагревателей применяют большей частью трубчатые теплообменники, где теплоносителем служит вода, нагретая до температуры < 60°С. Более высокая температура, которую необходимо было бы поддерживать, в частности в установках с термофильными бактериями, повышает риск налипания взвешенных твёрдых частиц на поверхность теплообменника.
Устройства для перемешивания субстрата.
Постоянное равномерное распределение и переориентировка жидкости и находящихся в ней твёрдых веществ, различающихся по размеру, форме и плотности, служат предпосылкой беспрепятственного и эффективного протекания процесса брожения.
Механические перемешивающие устройства.
Применение вращающихся перемешивающих устройств предъявляет высокие требования к форме реактора, если должны быть обеспечены необходимая для уменьшения образования осадка и плавающей корки скорость перемещения и требующаяся для интенсивного перемешивания субстрата турбулентность во всех зонах реактора. Поэтому такие мешалки могут эффективно использоваться лишь в небольших реакторах при воздействии на тяжёлые субстраты. Однако, если речь идёт о субстратах малой вязкости, содержащих мало веществ, склонных к осаждению или образованию плавающей корки, то механические перемешивающие устройства оказываются эффективными и в относительно крупных реакторах. Для небольших установок с незначительным выходом газа механические мешалки, которые в некоторых случаях могут приводиться от руки, представляют приемлемое решение.
Гидравлические перемешивающие системы.
Содержимое крупных реакторов, в особенности цилиндрической формы, можно перемешивать гидравлическим способом, т. е. с помощью струи жидкости. В многочисленных БГУ, построенных в ФРГ 20 лет назад, очень хорошо зарекомендовала себя система с подвижным соплом. При горизонтальном направлении сопла, которое вращается вокруг оси реактора и может перемещаться вдоль неё, струя жидкости проникает во все зоны рабочего пространства реактора. Гидравлические системы с неподвижным соплом требуют, напротив, тщательного выбора в соответствии с размерами и формой реактора, чтобы обеспечивать перемешивание субстрата во всех зонах реактора.
Перемешивание с помощью газа.
Хорошее перемешивание можно получить, нагнетая полученный в результате брожения газ в жидкий субстрат (см. рис. 4.2). Однако при этом субстрат не должен обладать слишком большой вязкостью и быть склонным к образованию плавающей корки; в противном случае следует непрерывно удалять всплывающие частицы или отделять крупные частицы твёрдого материала от субстрата перед поступлением его в реактор.