Energy efficiency of the extrusion process and its effect on output of biogas during the fermentation of maize and rape straw

Abstract

The purpose of the research is determining the influence of pre-treatment by extrusion of rape and maize straw on the output of biogas and the energy efficient mode of the extrusion process. The set goal is achieved by solving the following problems: pre-treatment of rape and maize straw by grinding and various versions of extrusion; carrying out experimental researches of the fermentation of rape and maize straw in the mesophilic mode of fermentation for 42 days; carrying out numerical modeling to determine the power inputs on the process of extrusion during change the frequency rotation of screw conveyer of the extruder. The most significant results: it was experimentally proven that the output of biogas from rape and maize straw increases when the size of their particles is reduced to a certain value, which is reached after 2-times extrusion, and further reduction of the size of the particles does not give a positive effect and, vice versa, reduces gas release. Extrusion provides not only grinding, but also thermo-baro processing, which additionally grinds lignin-cellulosic raw material. It was determined that the energy efficient mode of operation, the necessary level of pressure and temperature in the die, which exclude the burning of organic raw materials, is ensured at the rotation frequency of screw conveyer of the extruder at 110 r/pm. The significance of the obtained results is that the extrusion with the proposed technological and mode parameters of the extruder can be used as an effective method of pre-treatment of lignin-cellulosic raw material to increase the productivity of bioreactors and biogas output.

Scopul cercetării este determinarea influenței pretratării prin extrudarea paielor de rapiță și porumb asupra producției de biogaz și a modului eficient energetic al procesului de extrudare. Scopul stabilit este atins prin rezolvarea următoarelor probleme: pretratarea paielor de rapiță și porumb prin măcinare și diverse versiuni de extrudare; efectuarea de cercetări experimentale de fermentare a paielor de rapiță și porumb în modul mezofil de fermentație timp de 42 de zile; efectuarea de modelări numerice pentru determinarea puterii de intrare în procesul de extrudare în timpul schimbării frecvenței de rotație a transportorului cu șurub al extruderului. Cele mai semnificative rezultate: s-a demonstrat experimental că producția de biogaz din paiele de rapiță și porumb crește atunci când dimensiunea particulelor acestora este redusă la o anumită valoare, care este atinsă după extrudare de 2 ori și o reducere suplimentară a dimensiunii particulele nu dă un efect pozitiv și, invers, reduce eliberarea de gaz. Extrudarea asigură nu numai măcinarea, ci și prelucrarea termo-baro, care măcina suplimentar materia primă lignină-celulozică. S-a stabilit că modul de funcționare eficient energetic, nivelul necesar de presiune și temperatură în matriță, care exclude arderea materiilor prime organice, este asigurat la frecvența de rotație a transportorului șurub al extruderului la 110 r/pm. Semnificația rezultatelor obținute este că extrudarea cu parametrii tehnologici și de mod propuși ai extruderului poate fi utilizată ca metodă eficientă de pretratare a materiei prime lignino-celulozice pentru a crește productivitatea bioreactoarelor și a producției de biogaz.

Цель исследований – определение влияния предварительной обработки экструзией рапсовой и кукурузной соломы на выход биогаза и энергоэффективный режим процесса экструзии. Поставленная цель достигается за счет решения следующих задач: предварительная обработка рапсовой и кукурузной соломы путем измельчения и различных вариантов экструзии; проведение экспериментальных исследований ферментации соломы рапса и кукурузы в мезофильном режиме брожения в течение 42 суток; проведение численного моделирования для определения энергозатрат на процесс экструзии при изменении частоты вращения шнекового конвейера экструдера. Наиболее значимые результаты: экспериментально доказано, что выход биогаза из рапсовой и кукурузной соломы увеличивается при уменьшении размера их частиц до определенного значения, которое достигается после 2-кратной экструзии, и дальнейшего уменьшения размера частиц не дает положительного эффекта и, наоборот, снижает газовыделение. Экструзия обеспечивает не только измельчение, но и термобарообработку, при которой дополнительно измельчается лигнино-целлюлозное сырье. Установлено, что энергоэффективный режим работы, необходимый уровень давления и температуры в матрице, исключающий горение органического сырья, обеспечивается при частоте вращения шнекового конвейера экструдера 110 об/мин. Значимость полученных результатов заключается в том, что экструзия с предложенными технологическими и режимными параметрами экструдера может быть использована как эффективный метод предварительной обработки лигнино-целлюлозного сырья для повышения производительности биореакторов и выхода биогаза.