Trijų pakopų biodujų gamybos reaktoriaus su modifikuota maišykle tyrimai ir kūrimas

Abstract

Disertacijoje nagrinėjamas biodujų gamybos ir valymo nuo CO2 ir H2S procesas, naudojant biodujų gamybos reaktorius. Disertacijos tikslas – atsižvelgiant į teorinius, eksperimentinius ir skaitinio modeliavimo tyrimų rezultatus, sukurti trijų pakopų biodujų gamybos reaktorių su biodujų valymo sistema, turintį modifikuotą mechaninę maišyklę bioįkrovai homogenizuoti. Darbe sprendžiami keli uždaviniai. Pirmasis skirtas temperatūros nusistovėjimo anaerobinėje kameroje teoriniams tyrimams, siekiant ištirti šilumos mainų procesą. Antrasis – skirtas eksperimentiniams tyrimams, apimantiems bioįkrovos bioanglies priedų įtakos biodujų kokybei bei išeigai nustatymus. Trečiasis – skirtas trijų pakopų biodujų gamybos reaktoriaus tarpinės kameros bei modifikuotos mechaninės maišyklės eksperimentiniams tyrimams, siekiant nustatyti jų įtaką biodujų kokybei bei išeigai. Ketvirtasis uždavinys skirtas biodujų valymo sistemos eksperimentiniams tyrimams, siekiant įvertinti biodujų valymo nuo H2S ir CO2 efektyvumą. Penktasis – skirtas skaitinio modeliavimo tyrimui atlikti, norint įvertinti temperatūros pasiskirstymą biodujų gamybos reaktoriaus anaerobinėje kameroje. Šeštasis – skirtas trijų pakopų biodujų gamybos reaktoriaus kūrimui ir testavimui. Disertaciją sudaro įvadas, trys skyriai, bendrosios išvados, naudotos literatūros ir autoriaus publikacijų disertacijos tema sąrašai. Įvadiniame skyriuje aptariamas problemos formulavimas, pristatomas darbo aktualumas, tyrimų objektas, darbo tikslas bei uždaviniai, tyrimų metodika, mokslinis darbo naujumas, praktinė darbo rezultatų reikšmė ir ginamieji teiginiai. Įvado pabaigoje pateiktos disertacijos tema paskelbtos autoriaus publikacijos bei disertacijos struktūra. Pirmajame skyriuje pateikta biologiškai skylančių atliekų susidarymo apžvalga, biodujų energinis potencialas, mikrobiologiniai anaerobinio skaidymo procesai, šilumos mainų dėsniai, biodujų valymo būdai ir reaktorių konstrukcijos. Antrajame skyriuje pateiktos biodujų gamybos proceso teorinių, eksperimentinių ir modeliavimo tyrimų metodikos. Trečiajame skyriuje pateikti tyrimų rezultatai ir jų analizė, skirti biodujų gamybos ir valymo nuo CO2 ir H2S efektyvumui įvertinti. Suformuluotos trečiojo skyriaus išvados, bendrosios darbo išvados ir pateikta rekomendacija. Disertacijos tema yra publikuoti 8 moksliniai straipsniai: penki – mokslo žurnaluose, įtrauktuose į Clarivate Analytics Web of Science sąrašą, vienas – recenzuojamame mokslo žurnale, referuojamame kitose duomenų bazėse, du – konferencijų pranešimų leidiniuose. Gauti du Lietuvos Respublikos patentai ir paduota paraiška Europos patentui gauti. Disertacijoje aprašytų atliktų tyrimų rezultatai buvo paskelbti dešimtyje mokslinių renginių Lietuvoje ir kitose šalyse.

The dissertation deals with the process of biogas production and purification from CO2 and H2S. The task of the dissertation is to develop a three-stage biogas production reactor with a biogas purification system and a modified mechanical mixer for homogenization of bioloading, taking into account theoretical, experimental and numerical modeling research results. The thesis approaches several tasks. Task 1 is devoted to theoretical studies of temperature stabilization in an anaerobic chamber in order to investigate the heat exchange process. Task 2 is related to experimental studies involving the determination of the effect of biochar additives on biogas quality and yield. Task 3 represents experimental studies of the reactor intermediate chamber and a modified mechanical mixer in order to determine its influence on the quality and yield of biogas. Task 4 is dedicated to experimental research of biogas purification system to evaluate the efficiency of biogas purification from H2S and CO2. Task 5 is related to a numerical modeling to evaluate the temperature distribution in the anaerobic chamber. Task 6 is the development and testing of a three-stage biogas production reactor. The dissertation consists of an introduction, three chapters, general conclusions, lists of used literature and the author's publications. The introductory chapter discusses the research problem, the relevance of the thesis, the object of research, the aim and objectives of the thesis, the research methodology, the scientific novelty of the thesis, the practical significance of the thesis and defended statements. At the end of the introduction, the author's publications and conference papers on the topic of the dissertation and the structure of the dissertation are presented. The first chapter provides an overview of biodegradable waste generation, biogas energy potential, process of anaerobic digestion, modeling of heat exchange, biogas purification and reactor designs. The second chapter presents the methodologies for theoretical, experimental and modeling research of biogas production process. The third chapter presents the results and its analysis of research for the evaluation of the efficiency of biogas production and purification processes. The conclusions of the third section and the general conclusions are formulated and a recommendation is given. 8 scientific articles have been published on the topic of the dissertation: five – in scientific journals included in the Clarivate Analytics Web of Science list, one – in a peer-reviewed scientific journal, referenced in other databases, two – in conference proceedings. Two patents of Lithuania were received and an application for a European patent was filed. The results of the research described in the dissertation were presented in ten scientific events in Lithuania and other countries.