УДК 631.4.001
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ВИХОДУ БІОГАЗУ ДОБОВОГО ОБ’ЄМУ ЗАВАНТАЖЕННЯ СУБСТРАТУ З ЙОГО ПОСТУПОВОЮ ПОДАЧЕЮ
Валієв Т., https://orcid.org/0000-0003-3400-6147, e-mail: timurvaliev@gmail.com
Поліщук В., д-р техн. наук, проф., https://orcid.org/0000-0002-9654-9051, e-mail: polishchuk@nubip.edu.ua
Національний університет біоресурсів і природокористування України
Анотація
Мета дослідження – експериментальне встановлення впливу на вихід біогазу добового об’єму завантаження субстрату з його поступовою подачею. Практичним результатом буде розробка моделі технічного контролю виходу біогазу добового об’єму завантаження субстрату з його поступовою подачею.
Методи дослідження. Методологічною основою роботи є узагальнення та аналіз відомих наукових результатів сучасної організації виробництва біогазу добового об’єму завантаження субстрату з його поступовою подачею. Для формування наукової проблеми, визначення мети і постановки завдань дослідження використовувався аналітичний метод і порівняльний аналіз. Для розробки емпіричних моделей, використано основні положення теорії газу, системотехніки, блок-схем алгоритму розподілу виробничих операцій.
Результати дослідження. У статті проаналізовано табульовані дані ваги субстрату і його окремих компонентів зі щоденним завантаженням метантенка. Результати дослідження виходу біогазу з поступовим завантаженням субстрату засвідчили, що бродіння супроводжується двома піками максимального виходу біогазу. Автор графічно представив результативну залежність середнього виходу біогазу з поступовою подачею субстрату від частки зміненого субстрату. Обговорено питання розрахунку прогнозованих значень середнього виходу біогазу з бродінням гною ВРХ з додаванням 3 % гліцерину від маси гною. Представлено узагальнювальні порівняння за основними показниками біогазової установки з метантенку об’ємом 10 м3 залежно від добового виходу біогазу з одиниці маси субстрату.
Висновок. У результаті проведених досліджень одержано нові науково обґрунтовані технічні та технологічні рішення і математичні моделі, спрямовані на підвищення ефективності виробництва біогазу добового об’єму завантаження субстрату з його поступовою подачею. У результаті аналізу об’єкта дослідження обґрунтовано, що поступова подача субстрату в метантенк забезпечує більший за обсягом і рівномірніший у часі вихід біогазу порівняно з періодичною подачею. З одноразовою щоденною зміною субстрату до 20 % вихід біогазу зростає до 13,8 л/(кг/добу).
За таких умов теплота згорання біогазу становить 25 МДж/м3. Зростання одноразової щоденної зміни субстрату до 30 % збільшує вихід біогазу до 19,8 МДж/м3, однак тоді, внаслідок підвищеному вмісту в ньому вуглекислого газу теплота згорання знижується до 12–13 МДж/м3. У випадку 50 % зміни субстрату метанове бродіння припиняється внаслідок вимивання маточної культури метанотвірних бактерій.
Ключові слова: біогаз, метантенк, косубстрат, поступове завантаження, сирий гліцерин, біогазовий реактор.
MODELING OF PROCESSES OF BIOGAS OUTPUT PROCESSES OF DAILY VOLUME OF SUBSTRATE LOADING WITH ITS GRADUAL SUPPLY
Valiev T., https://orcid.org/0000-0003-3400-6147, e-mail: timurvaliev@gmail.com
Polishchuk V., Doctor of Technical Sciences, Professor, https://orcid.org/0000-0002-9654-9051, e-mail: polishchuk@nubip.edu.ua
National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine
Summary
Purpose of the research. The purpose of the work is to experimentally establish the influence of the daily amount of substrate loading on the output of biogas during its gradual supply. The practical result will be the formation of a model of technical control of the output of biogas of the daily volume of loading of the substrate during its gradual supply.
Research methods. The methodological basis of the work is the generalization and analysis of known scientific results regarding the modern organization of biogas production of the daily volume of substrate loading during its gradual supply. Analytical method and comparative analysis were used to form a scientific problem, determine the goal and set research objectives. When creating empirical models, the main provisions of gas theory, system engineering, block diagrams of the algorithm for the distribution of production operations were used.
Research results. The article considered the tabulated data of the weight of the substrate and its individual components during daily loading of the methane tank. The results of the study of biogas yield with gradual loading of the substrate allowed us to state that fermentation is accompanied by two peaks of maximum biogas yield. The author graphically presented the effective dependence of the average yield of biogas with gradual feeding of the substrate on the fate of the changed substrate. A discussion was held regarding the calculated predicted values of the average yield of biogas during the fermentation of cattle manure with the addition of 3% glycerol by mass of manure. Generalized comparisons of the main indicators of a biogas plant with a methane tank with a volume of 10 m3 are also presented, depending on the daily output of biogas per unit mass of the substrate.
Conclusions. As a result of the conducted research, new scientifically based technical and technological solutions and mathematical models were obtained, which are aimed at increasing the efficiency of biogas production of the daily volume of substrate loading during its gradual supply. As a result of the performed analysis of the research object, it is substantiated that the gradual supply of the substrate to the methane tank provides a larger volume and more uniform output of biogas over time in comparison with periodic supply. With a one-time daily change of the substrate to 20%, the yield of biogas increases to 13.8 l/(kg day), while the heat of combustion of biogas is 25 MJ/m3. An increase in the one-time daily change of the substrate to 30% increases the output of biogas to 19.8 MJ/m3, however, due to the increase in the content of carbon dioxide in it, the heat of combustion decreases to 12–13 MJ/m3. In the case of a 50% change in the substrate, methane fermentation stops due to the washing out of the mother culture of methane-forming bacteria.
Key words: biogas, methane tank, cosubstrate, gradual loading, crude glycerol, biogas reactor.