Увеличение выхода биогаза с помощью кавитационных деструкторов биомассы

24.12.200881870
Материалы предоставлены:
Zorgbiogas

Кавитация - (от лат. cavitas - пустота) - образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении ее скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация); существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, порождая при этом ударную волну.

В промышленности кавитация используется для гомогенизации, или смешивания, и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе. Многие промышленные смесители основываются на этом разработанном принципе. Обычно это достигается благодаря конструкции гидротурбин или путем пропускания смеси через кольцевидное отверстие, которое имеет узкое входное отверстие и значительно большее выходное: вынужденное уменьшение давления приводит к кавитации, поскольку жидкость стремится в сторону большего объема. Этот метод может управляться гидравлическими устройствами, которые контролируют размер входного отверстия, что позволяет регулировать процесс работы в различных средах. Внешняя сторона смесительных клапанов, по которой кавитационные пузыри перемещаются в противоположную сторону, чтобы вызвать имплозию (внутренний взрыв), подвергается огромному давлению и часто выполняется из сверхпрочных или жестких материалов, например, из нержавеющей стали, стеллита. Также были разработаны кавитационные водные устройства очистки, в которых граничные условия кавитации могут разрушить органические молекулы.

Механизм действия

При распространении ультразвуковой волны даже сравнительно небольшой интенсивности возникает чередование ее сжатия и разрежения, приводящее частицы среды в индивидуальное колебательное движение и групповое смещение в направлении распространения волны (так называемое «акустическое течение» или «ультразвуковой ветер»). Наступает довольно интенсивное перемешивание жидкой среды, а при интенсивностях ультразвука, больших 1 Вт/см, наблюдается эффект кавитации, при котором в жидкости образуются полости, заполненные парами жидкости и газами, растворенными в ней. При этом в жидкости возникает переменное звуковое давление, амплитуда которого достигает порядка нескольких атмосфер. Растягивающие усилия в области разрежения волны приводят к образованию в жидкости разрывов, т.е. мельчайших пузырьков, заполненных газом и паром. Эти пузырьки и являются кавитационными. Динамика развития кавитационной области подчиняется закономерностям цепного процесса с размножением кавитации на «осколочных» зародышах и установлением стационарной концентрации микро-пузырьков, возрастающей с частотой и интенсивностью ультразвука и уменьшающейся с гидростатическим давлением или коэффициентом поверхностного натяжения на границе парогазового пузырька с жидкостью. Кавитационные пузырьки в некоторой области жидкости возникают всякий раз, когда до этой области подходит фаза разрежения ультразвуковой волны. Как правило, кавитационные, пузырьки долго не живут: уже следующая за разрежением фаза сжатия приводит к захлопыванию большей их части. Поэтому кавитационные пузырьки исчезают практически сразу вслед за прекращением облучения жидкости ультразвуком. При захлопывании кавитационного пузырька возникает ударная волна, развивающая громадные давления. Если ударная волна встречает на своем пути препятствие, то она слегка разрушает его поверхность. Поскольку кавитационных пузырьков много и захлопывание их происходит много тысяч раз в секунду, кавитация может произвести значительные разрушения. Кавитационное облачко неоднородно, вблизи центра оно имеет вид небольшой плотной области; по плоскости кавитационные пузырьки распределяются в виде своеобразной, похожей на многолучевую звезду фигуры. Сжатие кавитационных пузырьков при захлопывании приводит к сильному нагреванию и свечению содержащегося в них газа. Свечение газа в кавитационных пузырьках обусловлено электрическими разрядами.

Опыты свидетельствуют об огромной разрушающей силе кавитации. Ультразвук - это упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 1,5 - 2*10 000 Гц (15 - 20 кГц) и до 1000 000 000 Гц (1 ГГц), область частот ультразвука от миллиарда до биллиона Гц принято называть гиперзвуком. Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти: ультразвук низких частот (1,5*10 000 – 100 000 Гц) - УНЧ, ультразвук средних частот (100 000 – 10 000 000 Гц) - УСЧ и область высоких частот ультразвука (10 000 000 – 1000 000 000 Гц) - УЗВЧ. Каждая из этих подобластей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приема, распространения и применения. В промышленности применение ультразвука для получения эффекта кавитации обычно используют диапазон 20-25 кГц. По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Поэтому частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усредненной верхней границе слышимого звука. Жидкости и твердые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Выбор метода генерации ультразвука зависит от области частот ультразвука, характера среды (газ, жидкость, твердое тело), типа упругих волн и необходимой интенсивности излучения.

Вторым способом получения и использования эффекта кавитации является гидродинамический способ. Гидродинамическая кавитация возникает в тех участках потока, где давление понижается до некоторого критического значения. Присутствующие в жидкости пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком жидкости и попадая в область давления меньше критического, приобретают способность к неограниченному росту. После перехода в зону пониженного давления рост прекращается, и пузырьки начинают уменьшаться. Если пузырьки содержат достаточно много газа, то при достижении ими минимального радиуса они восстанавливаются и совершают несколько циклов затухающих колебаний, а если мало, то пузырек схлопывается полностью в первом цикле. Таким образом, вблизи обтекаемого тела создается кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками.

Если внутрь каверны, через тело, около которого возникает кавитация, подвести атмосферный воздух или иной газ, то размеры каверны увеличиваются. При этом установится течение, которое будет соответствовать числу кавитации, образованному уже не по насыщающему давлению водяного пара, а по давлению газа внутри каверны. В таких условиях есть возможность при малых скоростях набегающего потока получать течения, соответствующие очень низким значениям, т.е. глубоким степеням развития кавитации. Так, при движении тела в воде со скоростью 6-10 м/сек можно получить его обтекание, соответствующее скоростям до 100 м/сек. Кавитационные течения, получающиеся в результате подвода газа внутрь каверны, называют искусственной кавитацией (суперкавитация). При условии, что жидкость была идеально однородной, а поверхность твердого тела, с которым она граничит, идеально смачиваемой, то разрыв происходил бы при давлении, значительно более низком, чем давление насыщенного пара жидкости. Прочность на разрыв воды, вычисленная при учете тепловых флуктуаций, равна 150 Мн/м2 (1500 кг/см2). Реальные жидкости менее прочны. Максимальное растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое при растяжении воды с температурой 10 градусов Цельсия, составляет 28 Мн/м2 (280 кг/см2). Обычно же разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так называемых кавитационных зародышей: плохо смачиваемых участков твердого тела, твердых частиц с трещинами, заполненными газом, микроскопических газовых пузырьков, предохраняемых от растворения мономолекулярными органическими оболочками, ионных образований. Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом, тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырек. Если степень развития кавитации такова, что возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спектром от несколько сотен герц до сотен кГц. Если кавитационная каверна замыкается вблизи от обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению (к так называемой кавитационной коррозии) поверхности обтекаемого тела (лопастей гидротурбин, гребных винтов кораблей и др. гидротехнических устройств). Спектр расширяется в область низких частот по мере увеличения максимального радиуса пузырьков. Увеличение скорости потока после начала кавитации влечет за собой быстрое возрастание числа развивающихся пузырьков, вслед за чем происходит их объединение в общую навигационную каверну и течение переходит в струйное. При этом течение сохраняет нестационарный характер только в области замыкания каверны. Особенно быстро струйное течение организуется в случае плохо обтекаемых тел. Гидродинамическая кавитация может сопровождаться рядом физико-химических эффектов, например искрообразованием и люминесценцией.

Кавитационные деструкторы в биогазовых установках

Благодаря управляемому процессу кавитации в деструкторах биомассы, они нашли широкое применение в производстве биогаза. Специально спроектированная конструкция деструктора позволяет использовать разрушительный эффект кавитации для придания исходному сырью однородной и гомогенной консистенции. Под воздействием направленной и управляемой кавитации в биологическом сырье рвутся сложные связи волокон органических веществ на молекулярном уровне (лигнин, целлюлоза). Как следствие этого процесса, дисперсность биологического сырья значительно увеличивается, и его частицы уменьшаются в размерах до 0,1-8 мкм. Таким образом, всем штаммам бактерий, участвующих в процессе образования биогаза, на всех его этапах становится легче разлагать биогенные материалы, т.к. их однородная структура разрушена и, соответственно, увеличивается площадь покрытия бактериями биологического сырья.

К важнейшим положительным результатам предварительной обработки биологического сырья, перед его направлением в биореактор, можно отнести следующие показатели:

1. Высокая степень измельчения и гомогенизации сырья, как следствие увеличение количества частиц на поверхности позволяет увеличить и интенсифицировать производство биогаза на 30-50%.
2. Благодаря высокой дисперсности и интенсификации процессов анаэробного брожения, значительно уменьшается период сбраживания биомассы. Результатом уменьшения периода сбраживания является возможность строительства биореакторов меньших объемов и размеров, что приводит к значительной экономии затрат на капитальные строения.

3. При деструкции биомассы из клеточных и субклеточных материалов интенсивнее высвобождаются природные энзимы, которые являются биологическими катализаторами процесса сбраживания биомассы. Этот эффект также увеличивает объем производимого биогаза.

4. Существенно стабилизируются биологические процессы, что приводит к отсутствию пенообразования и плавающей корки в верхней части биореактора. Таким образом, весь полезный объем реактора используется эффективно.

5. Процентное содержание метана в биогазе увеличивается до 70-75%. Этот показатель содержания метана свойственен обычному природному газу в зависимости от его географического происхождения.

В технологической схеме комплекса оборудования биогазовой установки кавитационный деструктор биомассы устанавливается между резервуаром предварительного накопления биомассы и биореактором (ферментером). Также возможна циклическая циркуляция и одновременная гомогенизация биомассы непосредственно в емкости предварительного накопления. Биомасса при помощи насосного оборудования подается в рабочую камеру деструктора. Рабочая камера деструктора ЗОРГ имеет специальную конструкцию и основана на принципе гидродинамической кавитации. Внутренний профиль рабочей камеры спроектирован таким образом, что при прохождении биомассы через нее создается направленный кавитационный удар. Благодаря конструкторскому и технологическому решению проектирования внутренней части рабочей камеры, разрушительное действие кавитационных пузырьков не воздействует на поверхность рабочей камеры деструктора.

Виды деструкторов биомассы

Предлагается два вида деструкторов биомассы, в основе действия которых лежит кавитация. Различие в предлагаемом оборудовании состоит в способе генерации кавитационного удара. Это генерация кавитационного удара ультразвуковыми генераторами и гидродинамическая кавитация.

Ультразвуковое оборудование

Основным недостатком ультразвуковых деструкторов является высокое потребление электроэнергии, т.к. с прекращением ультразвукового облучения направленная кавитация прекращается. Как правило? в деструкторах используются генераторы ультразвука со средней рабочей частотой 20 кГц., которые характеризуются своей энергоемкостью.

Гидродинамическое оборудование

Кавитационные деструкторы, действие которых основано на гидродинамической кавитации, отличаются простотой конструкции, легкостью монтажа даже в уже работающие системы, а также высоким рабочим ресурсом ввиду отсутствия движущихся и электрических элементов.

Работа кавитационных деструкторов биомассы отличается универсальностью применения в отношении исходного сырья, а также компактностью и очень высоким рабочим ресурсом. Кавитационная технология, используемая при строительстве биогазовых установок, дает большое преимущество в соотношении цена/качество/производительность, в сравнении со всеми существующими биогазовыми установками.

Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей