Study of energy costs in process of biomass mixing in rotary digester

Abstract

One of the main problems in the biogas production is stratification of biomass substrate in the digester. To eliminate biomass stratification it is proposed to use rotating digesters. However, such mixing can have significant energy costs. Therefore, the study of the efficiency of rotating methane tanks is required. The energy efficiency of biomass mixing in a rotary digester is studied. The digester vessel is made in the form of a horizontal cylinder rotating around the horizontal axis. The digester is partially immersed in the liquid, which is located in the outer casing. Due to the ejection of the digester from the liquid, a lifting force arises, which unloads the bearings of the digester axis. The friction force in the bearings is reduced and, accordingly, the energy consumption for rotating the methane tank and mixing the substrate is reduced. Experimental determination of the influence of technological and structural parameters of the methane tank and substrate parameters on the change in power consumption during mixing was carried out using an experimental bioreactor (inner radius R = 0.2 m, working length L = 0.6 m). Analysis of the experimental studies allows us to conclude that at the values of the filling factor less 0.93the requirement floating of the reactor in the liquid is provided, but the reactor capacity is used irrationally, which leads to an increase in specific energy consumption. And at more than 0.93, the navigation condition is not provided, which leads to a sharp increase in energy losses in the bearings during the digester rotation. As a result of the research it was found that when filling the reactor with biomass at a value of 92 to 94 % of the volume and its immersion in the liquid up to 97 % in height, the lowest energy costs for mixing the substrate will be observed.

Однією з основних проблем у виробництві біогазу є розшарування субстрату біомаси у варочному котлі. Для усунення стратифікації біомаси пропонується використовувати обертові зброджувачі. Однак таке змішування може мати значні енергетичні витрати. Тому необхідне дослідження ефективності обертання метанових резервуарів. Вивчено енергетичну ефективність змішування біомаси в роторному варочному котлі. Посудина котла виконана у вигляді горизонтального циліндра, що обертається навколо горизонтальної осі. Варильник частково занурений у рідину, яка знаходиться у зовнішній оболонці. Внаслідок викиду варочного котла з рідини виникає підйомна сила, яка розвантажує підшипники осі варочного агрегату. Знижується сила тертя в підшипниках і, відповідно, зменшується споживання енергії для обертання метанового бака та змішування основи. Експериментальне визначення впливу технологічних та конструктивних параметрів метанного резервуару та параметрів підкладки на зміну споживаної потужності при змішуванні проводили за допомогою експериментального біореактора (внутрішній радіус R = 0,2 м, робоча довжина L = 0,6 м). Аналіз експериментальних досліджень дозволяє зробити висновок, що при значеннях коефіцієнта заповнення менше 0,93 забезпечується потреба плавання реактора в рідині, але ємність реактора використовується нераціонально, що призводить до збільшення питомих витрат енергії. І більше ніж 0,93, навігаційний стан не забезпечується, що призводить до різкого збільшення втрат енергії в підшипниках під час обертання варочного котла. В результаті досліджень було встановлено, що при заповненні реактора біомасою на величину від 92 до 94 % обсягу та зануренні його в рідину висотою до 97 % найнижчі енергетичні витрати на змішування субстрату становитимуть спостерігається.