Сколько биогаза образуется при сбраживании осадка: производительность, HRT и рекомендации по расчёту объёма резервуара
Создано 09.09
Сколько биогаза производит сбраживание осадка: производительность, HRT и рекомендации по размеру резервуара
Анаэробное сбраживание осадка сточных вод обычно даёт 0,3–0,5 м³ CH₄ на кг разрушенных летучих solids, или 0,5–0,6 м³ биогаза на кг добавленных VS, при мезофильной температуре. Фактический выход газа определяется четырьмя переменными: концентрация solids в подаче, доля летучих solids, гидравлическое время удержания и стабильность температуры. Метантенк объёмом 10 000 м³ при 35–38 °C с HRT 20–30 дней обычно рассчитывается на пиковую скорость образования газа, а не на среднюю, поскольку газовый объём и граница давления крыши должны выдерживать выходные с уменьшенной подачей и внезапную дождевую нагрузку. Это руководство показывает, как преобразовать материальный баланс в объём резервуара и спецификацию крыши.
Большинство технологических инженеров сталкиваются с вопросом определения размеров метантенка только после того, как установка уже утверждена и начинается оценка стоимости строительных работ. Контракт на поставку осадка для сбраживания подписан, маршрут утилизации сброженного осадка определён, и вдруг кто-то спрашивает, сколько кубических метров объёма метантенка необходимо, чтобы поддерживать работу котла в течение зимы. На этот вопрос нельзя ответить одним лишь эмпирическим правилом: выход биогаза зависит от того, сколько летучих твёрдых веществ содержится в сырье, как долго жидкость находится в резервуаре и удерживается ли температура в узком диапазоне. В данной статье рассматривается материальный баланс, позволяющий ответить на этот вопрос, а затем показано, как эта цифра превращается в диаметр резервуара, конструкцию крыши и уставку предохранительного клапана. Сколько биогаза производит сбраживание осадка — это становится прямым инженерным расчётом, как только известны характеристики сырья.
Откуда на самом деле берётся цифра по газу
Выход биогаза в метантенке является функцией разрушения летучих solids, а не объёма резервуара. Стандартное проектное выражение начинается с нагрузки по летучим solids: произведённый биогаз равен удалённым VS, умноженным на удельный выход газа для данного субстрата. Для городских первичных и смешанных осадков практическая планировочная величина составляет 0,5–0,6 м³ биогаза на кг добавленных VS, и примерно 60 процентов этого объёма приходится на метан. Потоки пищевых и ферментационных отходов, такие как стоки винокуренных заводов или предприятий по переработке бобов, обычно богаче и могут планироваться в верхней части этого диапазона или выше него, как только баланс ХПК будет подтверждён лабораторными испытаниями, а не литературными значениями.
Первый шаг — это всегда характеристическое испытание фактического осадка. Общее содержание сухих веществ, содержание летучих веществ как доля от сухих веществ и соотношение ХПК к летучим веществам показывают, находится ли объект на уровне 0,4 или 0,7 м³/кг. Станция, принимающая только сгущённый избыточный активный ил, будет находиться в нижней части диапазона; станция, которая импортирует или совместно сбраживает высококонцентрированный поток пищевых отходов, будет находиться в верхней части. Проектировщики, которые пропускают этот этап, как правило, занижают размер газгольдера на 20–30 процентов, что позже проявляется в том, что метантенк работает выше расчётного давления в первую же неделю высокой нагрузки.
Преобразование выхода в объём метантенка
Загрузка по летучим solids и гидравлическое время удержания определяют объём реактора. Как только известна суточная масса VS, объём реактора следует из выбранной скорости органической загрузки. Мезофильный режим при 35–38 °C является общепринятым стандартом, при этом гидравлическое время удержания составляет 20–30 дней для муниципального ила и 15–20 дней при более высокой концентрации solids. Объёмная загрузка обычно поддерживается в диапазоне 1,5–4,0 кг VS на кубический метр объёма метантенка в сутки. Разделите суточную нагрузку по VS на проектную скорость загрузки — и вы получите рабочий объём; добавьте свободное пространство для пены, скребка и газового пространства — и вы получите высоту корпуса резервуара.
Объёмная вместимость — не единственное ограничение. Резервуар также должен обеспечивать стабильный уровень жидкости с учётом слоя плавающей корки, образующегося сверху, и оставлять пространство для газовой зоны над поверхностью жидкости. Метантенк, работающий при 35–38 °C без механического перемешивания, образует плавающую корку, толщина которой может достигать нескольких сотен миллиметров; эта корка занимает объём, который не был учтён в технологической модели. Добавление одной или двух механических мешалок либо использование циркуляции биогаза для перемешивания поддерживает корку тонкой и позволяет эффективному объёму соответствовать расчётному.
Крыша, граница давления и обращение с газом
Крыша метантенка — это граница низкого давления газовой среды, а не сосуд под давлением. Малые и средние метантенки почти всегда эксплуатируются при давлении, близком к атмосферному, с газовым пространством, удерживаемым всего при нескольких килопаскалях. Обычно выбирают двухмембранные или стеклотканевые крыши: наружная мембрана, подверженная воздействию погодных условий, и внутренняя мембрана, несущая номинальное давление газа примерно 2–3 кПа, с системой сброса давления и пламегасителем на газовой линии. Называйте резервуар на проектном совещании тем, чем он является — конструкцией низкого давления с гибкой крышей, — потому что спецификация жёсткого преобразователя ведёт к неверному пути по нормам и неверной стоимости.
Коррозия — вторая тема по кровле. H₂S в биогазе метантенка воздействует на сталь по линии жидкости и в зоне конденсации газового пространства, но стеклоэмалевое покрытие по стали само по себе химически инертно во всём диапазоне pH, что исключает покрытие как причину отказа и оставляет для inspection только болтовые соединения, прокладки и наружное покрытие. Болтовые панели с EPDM-прокладками, испытание искровым разрядом 1500 В пост. тока после сборки и периодические проверки момента затяжки болтов — это практический интервал inspection для GFS-метантенка. Десульфуризация дозированием FeCl₃ или сухой железооксидный слой защищает нижерасположенные котлы и газогенераторные установки независимо от того, что может выдержать покрытие резервуара.
Техническая спецификация
Параметр | Типичное значение / диапазон | Примечание |
Рабочая температура метантенка | 35–38 °C (мезофильный) | 50–55 °C термофильный при дешёвом тепле |
Гидравлическое время удержания | 20–30 дней при мезофильном режиме | 15–20 дней при более высоком содержании твёрдых веществ |
Удельный выход метана | 0,3–0,5 м³ CH₄ на кг разрушенного VS | Проверить лабораторными испытаниями осадок с площадки |
Выход биогаза (все компоненты) | 0,5–0,6 м³ биогаза на кг добавленного VS | Доля метана обычно ~60 процентов |
Давление в газовом пространстве | ±3–5 кПа, внутренняя мембрана ~2–3 кПа | Требуется предохранительный клапан и огнепреградитель |
Температура сплавления эмали | 820–930 °C | Стекло, сплавленное со сталью, за один термический цикл |
Толщина эмалевого слоя | 0,25–0,45 мм | Испытание искрой 1500 В пост. тока после сборки |
Прочность эмалевого слоя на сжатие | выше 3 450 Н/см² | Рассчитан для самого эмалевого слоя |
Шероховатость поверхности | Ra < 0,8 мкм | Стабильная, легко очищаемая внутренняя поверхность |
Устойчивость облицовки к pH | 1–14 | Инертность во всём диапазоне pH при сбраживании |
Расчётный срок службы | не менее 30 лет | При заданных условиях химического воздействия |
Подбор резервуара под фактическую работу установки
Возьмём практический пример. Муниципальное предприятие подаёт 1200 м³ в сутки осадка с содержанием сухих веществ 5 процентов и долей летучих solids 0,70. Это 60 тонн сухих solids в сутки, 42 тонны VS в сутки. При нагрузке 2,5 кг VS на кубический метр в сутки требуемый рабочий объём составляет примерно 16 800 м³, что при 20-дневном HRT согласуется. Добавьте примерно 15 процентов на свободный борт, корку и газовое пространство, и объём корпуса оказывается около 19 000–20 000 м³. Выход газа при 0,55 м³ на кг VS даёт около 23 100 м³ биогаза в сутки, примерно 960 м³ в час в среднем, с пиком, возможно, на 30 процентов выше, когда цикл подачи концентрированный.
Пиковая скорость определяет диаметр трубопровода, вентилятор и размер факела. Средняя скорость определяет котёл. Объём резервуара определяет объём строительных работ. Путаница с любым из этих трёх параметров — самый распространённый способ превысить бюджет проекта по сбраживанию. Сборный резервуар из стеклоплавильного стекла со стальными панелями шириной около 1,2 м является практичным решением для такого размера, поскольку корпус можно поставлять модульными партиями, высоту можно регулировать под расчётный объём без перепроектирования фундамента, а резервуар можно расширить позже, если предприятие будет расти.
Пример проекта
Проект | Местоположение | Продукт | Производительность | Область применения |
Секция анаэробной обработки сточных вод переработки бобов | Китай, Хэбэй | Резервуары метантенков GFS с газонепроницаемой мембранной крышей | поставлена секция анаэробного процесса | поставка резервуара плюс интеграция анаэробной секции |
Резервуары для промышленных сточных вод, 27 единиц | Китай, Синьцзян | Резервуары GFS | Всего 30 469 м³ | поставка и надзор |
Резервуары для сточных вод пивоварни | Китай, Сычуань | Резервуары GFS | 14 655 м³ | поставка сборного резервуара и крыши |
Резервуары для городских сточных вод, 10 единиц | Китай, Сычуань | Резервуары GFS | 17 420 м³ всего | поставка и монтаж на площадке |
Инженерные возможности Center Enamel
Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd) занимается проектированием и изготовлением сборных резервуаров с 2008 года. Являясь первым в Китае производителем резервуаров из стеклоэмалированной стали (GFS), компания владеет почти 200 патентами, связанными с эмалью, производит примерно 300 000 стальных пластин с эмалевым покрытием в год, реализовала более 30 000 установленных проектов и поставляет свои резервуары более чем в 100 стран. Новая производственная база площадью 150 000 м² была добавлена для увеличения производственных мощностей, а единичные резервуары поставляются объёмом до 60 000 м³. Производство осуществляется в соответствии с ISO 9001 и ISO 45001, сертификация продукции включает NSF/ANSI 61, WRAS, FDA, LFGB, CE (EN 1090), ISO 28765, FM, BSCI и EUROCODE, а проектирование выполняется с учётом AWWA D103-09, AWWA C550 и NFPA там, где этого требует применение.
Для службы сбраживания эта возможность охватывает технологически значимое оборудование: интеграцию газонепроницаемой двухмембранной крыши, границы давления и уставки сброса, описанные выше, а также эмалевое покрытие, инертное к кислой аммиачной жидкости, которая фактически содержится в метантенке.
Часто задаваемые вопросы
В1: Сколько биогаза образуется при сбраживании осадка на тонну влажного осадка?
О1: Это зависит от содержания сухих веществ. При 5 процентах общего сухого вещества и 70 процентах летучих сухих веществ тонна влажного осадка даёт примерно 35 кг ЛСВ, что при 0,5–0,6 м³ на кг ЛСВ даёт около 17–21 м³ биогаза на тонну подаваемого влажного осадка.
В2: Увеличивает ли повышение температуры метантенка выход газа?
A2: Лишь незначительно. Мезофильный режим 35–38 °C и термофильный 50–55 °C удаляют схожую долю ЛС. Практическая разница — в скорости: термофильное сбраживание сокращает время удержания при той же нагрузке, поэтому объём резервуара уменьшается, а затраты энергии на нагрев и перемешивание растут.
В3: Почему один и тот же ил даёт разный объём газа на двух заводах?
A3: Потому что выход газа выражается на килограмм летучих solids, а не на кубический метр подаваемого сырья. Различия в сгущении, в доле снятого и первичного ила, в добавлении первичного осадка и в возрасте посевного ила — всё это влияет на этот показатель.
Вопрос 4: Можно ли использовать резервуар GFS для анаэробного метантенка?
Ответ 4: Да. Резервуары из стеклоплавкой стали являются атмосферными или низконапорными герметизирующими конструкциями, а эмалевый слой инертен в диапазоне pH 1–14, что подходит для среды метантенка с аммиаком и сульфидами. Газовую границу несёт не обечайка, а система крыши.
Вопрос 5: Как подобрать размер газгольдера относительно метантенка?
Ответ 5: Подбирайте газгольдер исходя из пикового часового выхода газа плюс запас, а не из среднесуточного значения. Снижение подачи в выходные, тепловые удары и колебания нагрузки от потока совместно сбраживаемых пищевых отходов — это условия, которые должны компенсировать газгольдер и система сброса давления.
Вопрос 6: Каков обычный интервал осмотра крыши метантенка?
A6: Визуальный осмотр крыши и мембраны при каждой остановке, проверка момента затяжки прокладок и болтов в том же цикле, а также искровой тест облицовки после любой замены панели. Большинство владельцев проводят ежегодные структурные проверки и более короткое обследование мембраны, привязанное к остановке газовой линии для обеспечения безопасности.
Выход биогаза при сбраживании осадка можно определить до заказа резервуара: охарактеризуйте летучие solids, выберите скорость загрузки, поддерживайте температуру на уровне 35–38 °C и преобразуйте баланс массы в объём, скорость образования газа и давление в куполе. Три числа, которые наиболее важны для покупателя, — это скорость загрузки по летучим solids, пиковая часовая скорость образования газа и давление, на которое рассчитана купольная система. Если эти параметры определены правильно, объём резервуара будет следовать из них. Указание только объёма корпуса, без пиковой скорости образования газа и уставки сброса давления, — это то, из-за чего установки испытывают нехватку газа в первую зиму с высокой нагрузкой.
Если вы можете отправить характеристику осадка, проектную суточную производительность и требуемое время удержания, инженеры Center Enamel вернут расчёт размеров резервуара, предложение по крыше и границе давления, а также комплект чертежей для рассмотрения.
Связаться с инженером
Отправьте нам характеристику подаваемого осадка, суточный расход, целевую концентрацию твёрдых веществ и потребность в газе или тепле, которую необходимо покрыть, и наши инженеры по процессам и резервуарам рассчитают объём метантенка, скорость обработки газа и границу давления крыши, а затем предоставят технический пакет документов для рассмотрения. Без обязательств, только инженерные расчёты, которые вы можете представить своему технологическому консультанту.
WhatsApp