Повышение эффективности биоустановок путем получения алтернативной энергии и биоудобрений
На правах рукописи
САТЬЯНОВ Сергей Владимирович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОУСТАНОВОК ПУТЕМ ПОЛУЧЕНИЯ
АЛТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГИИ И БИОУДОБРЕНИЙ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2011 1
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Российский Государственный аграрный заочный университет (ФГОУ ВПО РГАЗУ)
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Захарченко Анатолий Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Мороз Владимир Петрович Доктор технических наук, профессор Чумаков Валерий Борисович
Ведущая организация:
Центральная машинно-испытательная станция (ЦМИС) Московская область г. Солнечногорск
Защита состоится «_»2011 г. в _ часов на заседании диссертационного совета Д. 220.056.03 при ФГОУ ВПО РГАУ по адресу:
143900, Московская область, г. Балашиха, ул. Ю. Фучика д.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО РГАЗУ Автореферат разослан « _»_ 2011 г
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук О.П. Мохова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В современном развитии сельскохозяйственного производства важными являются вопросы увеличения энергоресурсов, а в животноводстве утилизация навоза. Одним из перспективных способов утилизации навоза является анаэробное сбраживание, позволяющее предотвратить загрязнение почвы, окружающего воздушного бассейна, а также получить продукты переработки навоза в виде органического удобрения и газообразного топлива - биогаза. Анаэробная переработка навоза ускоряет его разложение в 10 раз по сравнению с традиционным перепреванием в буртах. При этом может быть достигнута полная гибель гельминтов, болезнетворных микроорганизмов и семян сорных растений. Эксплуатационные затраты на профилактические мероприятия по защите окружающей среды от загрязнений и предотвращению заболеваний животных снижаются на 10-15%.
Поэтому проблема повышения эффективности биоустановок за счет получения оптимального количества биогаза, а также экологически чистых, жидких и твердых биоудобрений, безусловно, является актуальной.
Цель работы. Обоснование оптимальных параметров и режимов работы для повышения эффективности биоустановки при анаэробном сбраживании органической массы и комплексное получение тепловой и электрической энергии и биоудобрений.
Объекты исследования – техническая система (биогазовая установка), включающая теплообменники, для вторичного использования теплоты, и системы получения и использования биоудобрений.
Предмет исследования – эксплуатационные показатели биоустановки, и процессы вторичного использования теплоты и тепловой баланс этих систем.
Методы исследования. Задачи, поставленные в диссертационной работе, решались методами планирования эксперимента, математического моделирования, дисперсионного анализа и математической статистики.
Разработанные частные методики полевых испытаний базировались на методах статистического и регрессионного анализа с использованием современных вычислительных средств.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:
- математическая модель использования вторичных энергетических ресурсов биоустановки;
- алгоритм использования вторичных ресурсов для удовлетворения собственных нужд биоустановки;
- тепловой баланс биоустановки и расчет теплообменников;
- математическая модель экономической эффективности биогазовой установки.
Практическая значимость работы. По результатам теоретических исследований разработаны:
- алгоритм расчета биоустановки с использованием вторичных энергетических ресурсов;
- технологическая схема системы использования вторичных энергетических ресурсов для поддержания оптимального режима анаэробного сбраживания органической массы, получения электро и тепловой энергии;
- технологическая схема разделения и использования жидкой и твердой фракции биоудобрений и их использование;
- установлено улучшение экологии окружающей среды при переработке органики в биоустановках;
- экономическая оценка использования технологии анаэробного сбраживания органической массы в сельскохозяйственном производстве.
Результаты настоящих исследований могут быть использованы в научно исследовательских, проектно-конструкторских и производственных организациях, занимающихся разработкой, проектированием и изготовлением биоустановок, в сельскохозяйственных предприятиях, а также в учебном процессе при подготовке инженерных и научных кадров.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и были одобрены на научно практических конференциях РГАЗУ в 2009…2010 г.г., на конференциях профессорско-преподавательского состава РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева в 2009…2010 г.г. Основные положения, вошедшие в работу, рассматривались на совместном заседании кафедр «Техническая механика», «Тракторы и эксплуатация МТП» и «Ремонт машин» РГАЗУ. Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре «механизация растениеводства»
РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 7 статьях, в том числе, 4 - в центральных журналах, рекомендованных ВАК РФ, получен патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованных литературных источников наименований, из них 53 на иностранных языках, и приложения. Объем диссертационной работы составляет 158 страниц и содержит 34 рисунка и таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложена суть решаемых в диссертационной работе задач, показана актуальность проблемы, охарактеризована научная новизна и практическая ценность работы.
В первой главе рассмотрено состояние проблемы использования альтернативных источников энергии, в том числе, биогазовых установок для получения тепловой и электрической энергии.
Биогаз сразу нашел себе применение для получения тепла, которое использовалось для отопления как жилых, так и производственных помещений (например, теплиц). Очищенный и обогащенный биогаз стали добавлять в промышленные газовые сети. На биогазе работают генераторы производящие электрическую энергию.
В сельскохозяйственном производстве биогаз стал незаменимым источником получения энергии, которой так не хватает в хозяйствах, а также на установках получают экологически чистые биоудобрения, которые не только обеспечивают необходимым питанием растения, но и позволяют сохранять экологию окружающей среды.
Значительный вклад в вопросы получения и использования альтернативных источников энергии внесли работы: Акименко В.К., Андрюхина Т.Я., Баадер В., Богданова П.В., Бондарева А.А., Бородина В.И., Бренндерфер М., Виестур У.Е., Воронова Ю.В., Горшкова М.И., Гриднева П.И., Гюнтера Л.И., Девянина С.Н., Доне Е, Дубровскиса В.С., Дурдываева С.П., Захарченко А.Н., Карюхиной Т.А., Ковалева А.А., Ковалева Н.Г., Колесова Ю.Ф., Левчикова М.В., Лосякова В.П., Мельника Р.А., Миллера В., Мишукова Б.Г., Мороза В.П., Ножевникова А.Н., Панцхава Е.С., Пузанкова А.Г., Разумовского Э.С., Семененко И.В., Феофанова Ю.А.,Хачияна А.С., Чумакова В.Л., Шведова И.Н., Яковлева С.В., Якушко С.І, Eder В., Коllatsch D., Jkel, Jensen В., Letinga G., McCartty P.L., Rosenwinkel K.H., Seyfrred C.F., Schulz Н., Weiland P., Zeddies J. и др.
Так как только метан поставляет энергию из биогаза, то естественно, для описания качества, выхода и количества газа все следует приводить к метану и его нормируемым показателям.
Биогаз получают в специальных установках - метантанках, или анаэробных колоннах (рис. 1). В сельском хозяйстве их оборудуют на фермах, в виде малых биогазовых установок, на полигонах ТБО, в мире строятся и более крупные биогазовые заводы. Особенно эффективно производство биогаза в рамках крупных агропромышленных комплексов, где обеспечивается практически безотходный технологический цикл. Это один из лучших способов сохранения экологического равновесия, поскольку происходит захват метана в изолированные от атмосферы емкости. Известно, что влияние метана на парниковый эффект в 21 раз сильнее, чем углекислого газа, и сохраняется метан в атмосфере до 12 лет. В конце 1980-х г. в СССР были приняты правительственные решения о производстве биогаза из органических сельскохозяйственных отходов, канализационных стоков и твердых бытовых отходов. Однако затем последовало практически полное прекращение работ по биогазу.
Лишь в последнее время, когда продвижение других стран по этому направлению стало более чем очевидным, в России начали реализовываться локальные инициативы. В январе 2009 года на Курьяновской станции аэрации в Москве запущена в работу мини-ТЭС. В Удмуртии Постановлением Правительства УР № 75 от 15 марта 2010 года в 2010-2014 г.г.» в вблизи крупных предприятий животноводства предлагается организовать производства биогаза из отходов данных предприятий. Получаемый биогаз планируется использовать для нужд предприятий и поставки тепловой и электрической энергии в хозяйства.
Биогазовая установка - устройство, осуществляющее переработку органических отходов в биогаз и органические удобрения. Биогазовая станция - более широкое понятие, оно включает комплекс инженерных сооружений, состоящий из устройств: для подготовки сырья, производства биогаза и удобрений, очистки и хранения биогаза, производства электроэнергии и тепла.
Основной принцип работы любой биоустановки заключается в следующем: биомасса периодически подаются в биореактор. Реактор представляет собой резервуар, в котором живут бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз.
Эффективность использования биогазовых установок определяется в основном методами преобразования получаемого биогаза как энергоносителя.
Рис. 1. Обобщенная схема биогазовой установки:
(1- источник органической биомассы;
2- резервуар для хранения биомассы;
3- насос;
4- метантанк;
5- газгольдер;
6- теплообменник;
7- котел) Анализируя данные различных исследователей, следует отметить, что в работах недостаточно показана эффективность использования различных альтернативных энергоносителей, поэтому целью нашей работы стало изучение эффективности получения и использования альтернативных источников энергии, а именно биогаза, для чего были поставлены и решены следующие задачи исследования:
- рассчитать оптимальные условия получения биогаза в различных условиях сельскохозяйственного производства;
- определить физико-химические процессы, протекающие в биоустановках, и дать рекомендации по улучшению эффективности работы установок;
- определить пути оптимизации тепловых процессов в биореакторе и дать направления рационального достижения экономичности получения энергии;
- показать улучшение экологии окружающей среды при использовании биоустановок и рассмотреть мероприятия раскрывающие взаимосвязи эксплуатации установок с агроэкологией;
- предложить направление повышения эффективности сельскохозяйственных биоустановок путем перевода их работы по когенерационному типу;
- провести экспериментальные полевые исследования направленные на разработку мероприятий по повышению урожайности с/х культур и повышению плодородия почвы, показать эффективность биоудобрений, полученных на биоустановках, при их использовании в различных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур.
Во второй главе дана программа и методики проведения исследований.
Изложены теоретические вопросы работы сельскохозяйственных биоустановок, которые основаны на методах анаэробного сбраживания навозных стоков с ферм крупного рогатого скота (КРС). Исследования проводили согласно разработанной структурной схеме (рис. 2).
Изучение применяемых методов расчета позволило получить логистическую математическую модель для определения наибольших объемов продукции сельскохозяйственного производства. При рассмотрении модели исследовали технические, агротехнические, экологические и технико экономические показатели биогазовых установок в сельском хозяйстве.
Получение энергии и биоудобрений на биогазовых установках в сельском хозяйстве зависит от многочисленных факторов. Процесс получения высокой эффективности производства можно формализовать и дать ему математическую интерпретацию. Генеральную совокупность (систему) факторов можно Рис. 2. Структурная схема проведения исследований.
представить в виде матрицы из k строк, элементы которых Х11, …, Хкn являются параметрами факторов:
Х1 Х11, Х12, Х1n А = Х2 = Х21, Х22, Х2n (1) Х3 Хк1, Хк2, Хкn где Х1, Х2,…,Хк – факторы определяющие эффективность влияния на выход биогаза различных групп показателей.
Объем информации о генеральной совокупности факторов, определяющих величину эффективности установки, характеризуется модулем определителя системы А, который представляет собой объем в n - мерном пространстве n - мерного параллелепипеда (1) Сгруппировав общую совокупность факторов, определяющих эффективность производства (агротехнических, технических, эксплуатационных), получаем матрицу элементов (параметров) трех доминантных групп: Х1 = (Х11, Х12,…, Х1n);
Х2 = (Х21, Х22,…, Х2n);
Х3 = (Х31, Х32,…, Х3n).
Рассмотренный функционально-оптимизационный принцип графической интерпретации исследования сложных процессов, каким является процесс получения биогаза при влиянии на них большого числа факторов, позволяет получить высокую реализацию системного метода и получить повышение эффективности данных исследований.
Технология метанового брожения заключается в разложении органических веществ, которое может происходить при аэробных и анаэробных процессах.
Биогаз - общее название горючей газовой смеси, получаемой при разложении органических субстанций в результате анаэробного микробиологического процесса (метанового брожения).
Для эффективного производства биогаза из органического сырья необходимо создать оптимальные условия для жизнедеятельности нескольких видов бактерий при отсутствии доступа кислорода (рис. 3) В состав биогаза, в общем случае, входят около 2/3 метана (CH 4), 1/3 углекислого газа (CO2), небольшое количество сероводорода (H2S), аммиака (NH3) и водорода (H2).
Анаэробная обработка содержимого биореактора осуществляется путем биохимического разложения органических материалов в отсутствие кислорода.
Разложение органики происходит в четыре стадии и на каждой из них работает определенный вид бактерий. Первая группа отвечает за растворение и гидролиз органики. Вторая - действует на растворенные продукты, превращая их в более простые органические продукты. Третья - продолжает разрушение с образованием уксусной, масляной, пропионовой, валериановой и других кислот. И, наконец, четвертая группа состоит собственно из метаногенных бактерий, которые образуют метан, углекислый газ, водород и др. Скорость и эффективность указанных микробиологических процессов зависит от многих факторов;
температуры 30-35 или 52-57 оС, кислотности (РН 6,6-7,6), скорости подачи питания, степени перемешивания и др. Поэтому большие биореакторы оборудуются системами обогрева, перемешивания, контроля РН, рекуперации тепла сброженного продукта, а сам реактор покрывается слоем теплоизоляции.
Для поддержания теплового режима реактора затрачивается от 20 до 50 % вырабатываемого биогаза в зависимости от температуры окружающей среды.
Рис. 3. Общая схема процесса образования биогаза Необходимо отметить, что различные виды метаногенерирующих бактерий "работают" при различной температуре.
Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот (Рис. 4), а последние под действием синтрофных и метанобразующих бактерий превращаются в метан и углекислоту. Степень разложения органического вещества при анаэробном сбраживании навоза составляет 25...45%.
На гидролизном этапе происходит полимеризация нерастворимых органических соединений (белков, углеводов, жиров) совместно с внеклеточными ферментами. Гидролиз белков на аминокислоты, полисахариды (в том числе целлюлозу) в сахар, жиры и полиолов и жирных кислот.
С6H10О4 +2 H2O С6H12O6 +2 Н2 (часть органических и глюкоза) (2) Затем происходит брожение образовавшихся мономеров до ещ более простых веществ (низких кислот и спиртов), с образованием углекислоты и водорода:
С 6Н12 О62СН3С Н2О Н + 2С О2 (глюкоза/этанол (3) С6Н12О6 + 2Н2 2СН3СН2СООН + 2 Н2О (глюкоза/пропионовой кислоты) (4) В ацетогенной фазе: некоторые из соединений, образующихся в этой фазе непосредственно, используются метаногенными бактериями, в основном (76%) летучих жирных кислот (уксусная, муравьиная, пропионовая, масляная, валериановая, капроновая), спирты (метанол, этанол), альдегиды и газообразные продукты CO2 и H2. Сокращение выбросов двуокиси водорода снижает парциальное давление водорода, который является как бы катализатором для этой фазы.
На ацетогенной стадии образуется непосредственные предшественники метана (ацетат, водород и углекислота), т.е. происходит переработка этанола и летучих жирных кислот и ацетатов CO2 и H2 бактериями в течение определенного времени генерации (около 84 ч). Замедление работы этих бактерий, приводит к накоплению летучих органических кислот, что приводит к снижению рН и подавлению роста бактерий метаногенеза. Затем при активизации деятельности бактерий, которые производят из ацетата CO 2 и H2, тем самым ускоряют рост бактерий метаногенеза.
Наиболее важные реакции этой стадии:
CH3CH2COO- + 3H2O CH3COO- + H+ + HCO3+ 3H2 (5) С6Н12O6 + 2Н2O 2СН3СООН + 2СO2 + 4H2 (глюкозы / ацетат) (6) - + СН3СН2ОН + 2Н2O СН3СОО + 2H2 + H (этанол / ацетат) (7) - + 2HСО 3;
+ 4H2 + H CH3COO + 4H2O (бикарбонат натрия/ацетат) (8) Затем на метаногенной стадии производятся метаногенные бактерии (автотрофные и гетеротрофные) и происходит расщепление cложных органических веществ с образованием метана, 2/3 которого образуются из ацетатов или спиртов:
2CH3CH2OH + CO2 2CH3COOH + CH4 (9) Рис. 4. Стадии брожения органического вещества CH3COOH CH4 + CO2 (10) CH3OH + H2 CH4 + H2O (11) CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O (12) CH3COO- + SO42- + H+ 2HCO3 + H2S (13) - - + - + CH3COO + NO + H2O + H 2HCO3 + NH4 (14) На современных биогазовых установках используют подогреваемые реакторы, так как для осуществления процесса метаногенеза необходимо постоянно расходовать энергию. Эффективное производство биогаза возможно только в том случае, когда суммарная энергия газа будет значительно выше расходов энергии на его производство.
Условие получения товарного биогаза может быть представлено математически с учетом теплового баланса биореактора:
Q V Г CH TV,м (15) где VT - количество товарного биогаза, м3;
VГ - общее количество полученного биогаза м3, QCH - расход энергии на собственные нужды установки, кДж;
- теплотворная способность биогаза, кДж/ м3.
По мере получения биогаза его количество при = min достигает величины, достаточной для полной компенсации расходов тепла на нагрев навоза и всех тепло- и энергопотерь ( VГ = QCH ).
Аналогично, решение задачи получения товарного биогаза VГ = f ( ) и расхода энергии на процесс его получения - QCH = f ( ), с последующим определением оптимального времени (опт) сбраживания субстрата в биореакторе. Зависимость VГ = f ( ) может быть определена экспериментально для субстрата, вид и состав которого зависят от конкретных условий каждой животноводческой фермы.
Математическая обработка таких экспериментальных данных dV Г показывает, что зависимости f ( ) соответствует эмпирическое = d уравнение:
dV Г V м3/сут.
=2 (16) b cH d а где a, b, c – эмпирические коэффициенты, значения которых определяются по опытным данным;
– продолжительность брожения ( = 19 суток);
VH – объм сбраживаемого субстрата, м3.
Математическая модель теплового баланса в биореакторе позволяет рассчитать расход энергии на собственные нужды реактора:
QCH = f ( ), которые определяется по зависимости QCH = QH + QП, кДж (17) где QCH – расход энергии на предварительный нагрев субстрата до температуры брожения;
QП – суточный расход энергии на компенсацию всех теплопотерь, кДж/сут.
Теплопотери, QП, включают в себя энергопотери на привод перемешивающих устройств QM, потери энергии с удаляемой сбраженной биомассой QБМ, потери энергии в окружающую среду QK, потери энергии с удаляемым биогазом QБГ (рис. 5).
Рис. 5. Расчетная схема теплового баланса биореатора.
Теплопотери через окружающие поверхности биореактора в сутки, QK = kF(TB-TH)8,64.104, кДж/сут (18) k – коэффициент теплопередачи, кВт/м.K;
F – площадь ограничивающих поверхностей биореактора, м2 ;
TB – температура наружного воздуха, К;
TH – температура субстрата, подающегося в биореактор, Ко.
Теплопотери с уходящим биогазом определяются по уравнению:
QБГ = VГ СГ (ТГ – ТВ), кДж/сут (19) где VГ - суточный объм выделившегося биогаза, м /сут;
СГ – объмная тепломкость биологического газа, кДж/м, ТГ - температура биологического газа на выходе из биореактора, К;
ТВ – температура окружающего воздуха, К.
Теплопотери с удаляемой сброженной биомассой:
QБМ = VH CH (T2 – TH), кДж/сут (20) где VH – объм субстрата, удаляемого из биореактора в сутки, м ;
CH – объмная тепломкость субстрата, кДж/м3.К;
Т2 - температура субстрата на выходе из метантенка.
Затраты энергии на привод перемешивающих устройств и вспомогательного оборудования определяются по формуле:
NV QM = 24 NV 1, кДж/сут M (21) H WM H где N M - потребная мощность насоса или перемешивающих устройств, кВт;
VN - производительность насоса, м3/ч;
M - КПД перемешивающего устройства;
18 - означает, что перемешивающее устройство работает только 1/8 часть (3 часа) в сутки.
Учитывая недогрузку биореактора, плотность субстрата, pH, коэффициент остатка дозы суточной загрузки биореактора определяется по уравнению:
( d) %где d – доза суточной загрузки, в %;
;
1 – продолжительность брожения;
принимаем = 19 суток, - 3…5%.
Тогда, время, в течение которого происходит брожение субстрата с получением товарного биогаза можно определить по зависимости:
( V) C TT N V H 1 H H H B VH 1 ()M T kF (22) () T W m 0b ac H M Решение уравнения (22) дат возможность оценивать как характер теплового баланса процесса брожения субстрата, так и оптимального режима получения товарного биогаза.
В третьей главе приведена характеристика биоустановки, расположенной в Солнечногорском районе Московской обл., на основе которой проводили экспериментальные исследования.
При расчете выхода биогаза учитывали особенности навоза, в частности, коэффициенты уравнения (16). Для навоза, имеющегося в хозяйстве коэффициенты a, b и с равны -0,00307, -0,08 и 13 соответственно. При этом режиме сбраживания, суточный выход биогаза составил около 65 м3/сут.
Расчет эксплуатационных параметров биоустановки проводили на ЭВМ с помощью программы MS EXCEL, результаты, которого приведены в табл.1.
При непрерывной работе, объем первой загрузки составляет около 8% рабочего объема реактора и подогревается до температуры сбраживания за одни сутки. Время выхода биоустановки на эксплуатационный режим составляет 5-6 суток, затем суточную загрузку поддерживают постоянно. В этот период наблюдается незначительное выделение биогаза. В эксплуатационном режиме объем биогаза, выделяемого из реактора достигает максимума и составляет 67,8м3/сут.
При непрерывной работе, объем первой загрузки составляет около 8% рабочего объема реактора и подогревается до температуры сбраживания за одни сутки. Время выхода биоустановки на эксплуатационный режим составляет 5-6 суток, затем суточную загрузку поддерживают постоянно. В этот период наблюдается незначительное выделение биогаза.
Таблица 1.
Расчетные параметры биогазовой установки Параметр Значение Количество коров, голов Общий объем навоза, т/сут Объем биореактора, м3 Средняя годовая температура окружающего 6, воздуха,оС Режим брожения Термофильный Температура сбраживния, оС Суточная загрузка, м3/сут 3, Продолжительность сбраживания, сут Период выхода в режим, сут Суточный выход биогаза, м3 67, Количество тепла, необходимого для 9, предварительного нагрева субстрата, ГДж Количество тепла, расходуемого на нагрев субстрата, МДж/сут Количество тепла, теряемого в окружающую среду, 5, МДж/сут Количество тепла, расходуемого на перемешивание 1, субстрата, кДж/сут Количество тепла, требуемого для собственных нужд биореактора, МДж/сут Количество энергии получаемого биогаза, ГДж/сут 1, Выход товарного биогаза (за месяц), м3/мес Доля биогаза, необходимого для нагрева навоза, % Выход шлама (за месяц), т В эксплуатационном режиме объем биогаза, выделяемого из реактора достигает максимума и составляет 67,8м3/сут.
Далее каждые сутки загружают суточную загрузку (3,8 м 3) и установка может работать стабильно а течение длительного срока (рис. 6). Последующие суточные загрузки проводятся с одновременной выгрузкой сброженной массы, равной по величине суточной загрузке свежего субстрата. Непрерывность работы установки обеспечивает постоянный выход биогаза за дальнейшее время ее работы.
В последующие сутки субстрат нагревается непосредственно в реакторе, при этом система подогрева в реакторе должна обеспечить тепло, необходимое для подогрева соответствующей порции субстрата, и компенсировать все виды потерь (рис. 7).
Когда подводимая к реактору теплота равняется сумме тепла на нагрев субстрата и тепла на собственные нужды установки, начинается получение товарного биогаза. Расход энергии на предварительный нагрев субстрата и Рис. 6. Объем биогаза, получаемого при непрерывной работе установки другие потери при термофильном режиме работы установки превышает такие же показатели, при работе реактора в мезофильном режиме. Однако полученная энергия (пропорциональная объему получаемого биогаза) при термофильном процессе меньше, чем при - мезофильном. Это объясняется необходимостью преодоления высокого температурного напора, который характеризует термофильный режим анаэробного сбраживания.
Расчет биоустановки проводили с учетом возможности совместного использования теплоты охлаждающей жидкости ДВС. Для того, чтобы оптимизировать экономические показатели установки, рассматривали рациональность отключения радиатора и вентилятора системы охлаждения, что способствует снижению нагрузки на двигатель.
При такой схеме использования вторичной теплоты двигателя, некоторые реакторы подогревают за счет теплоты охлаждающей жидкости, а остальные за счет теплоты отработавших газов ДВС, что позволяет использовать излишнее тепло на другие нужды сельского хозяйства. Теплота охлаждающей жидкости, которую можно вторично использовать незначительна, следовательно, подогрев субстрата в биоустановке можно осуществлять путем использования только теплоты отработавших газов.
Рис. 7. Тепловой баланс биореактора Расчетную схему использования теплоты отработавших газов оценивали аналитически, а результаты расчета представлены на рис. 8 и 9.
Рис. 8. Расчетная схема использования отработавших газов ДВС.
1,2 - теплообменники (№1 и 2 соответственно);
3 - водяной насос;
4 основная магистраль;
5 - обратная труба;
6 - распределительная труба;
7 конечная труба;
8 - отработавшие газы ДВС.
Из рисунка 9 очевидно, что за счет использования теплоты отработавших газов практически можно обеспечить потребность биоустановки в теплоте независимо от режима работы. В частности, при работе установки в термофильном режиме теплота отработавших газов двигателя может обеспечить, как минимум, 8 биореакторов теплотой на протяжении 9 месяцев (март - ноябрь) в год.
Рис. 9. Возможное число реакторов, нагреваемых теплотой (ОГ) ДВС Следует заметить что, мезофильный режим работы реактора является более перспективным с энергосберегающей точки зрения, так как биореакторы полностью обеспечены теплотой, практически, в любое время года.
Используя теплоту отработавших газов ДВС, можно удовлетворить потребность биоустановок в тепловой энергии (740 МДж/сут).
Отработавшие газы двигателя могут обеспечить бесперебойную работу биореакторов даже при температуре - 8оС, что дает возможность не только получить необходимое тепло, но и дополнительное для других нужд хозяйства, например сушки сельскохозяйственной продукции, отопления животноводческого помещения, теплицы и т.д.
Процесс эксплуатации биоустановки, предложенный в работе (одновременного производства электроэнергии и тепла) называется "когенерацией". Установки, оборудованные системой теплообменников для вторичного использования тепла, называют когенераторными (когенерационными) установками. В России необходимость в применении когенераторов для тепло - и энергоснабжения очевидна, поскольку позволяет существенно снизить затраты на потребляемую энергию, что даст существенный экономический эффект для сельского потребителя, а также поможет решить проблему обеспечения хозяйства бесперебойным тепло и энергоснабжением. В России же в настоящее время происходит зарождение технологии применения газовых когенераторов. Нами предложена схема работы такой установки, которая представлена на рис. 10.
В себестоимости тепличных огурцов, помидоров, цветов 90% затрат - это тепло и удобрения. Выходит, что возле биогазовой установки теплица может работать с 300…500 % рентабельностью. Коэффициент полезного использования топлива (биогаза) в когенерационных установках может достигать в зависимости от конструкции основного и вспомогательного оборудования - 92%. Иными словами, энергия, которая в обычных электростанциях выбрасывается в атмосферу или через радиатор охлаждения двигателя и с выхлопными газами, в когенерационных установках используется вторично и направляется на хозяйственные нужды.
Задача теплового расчета заключается в определении площади поверхности теплообмена и режима движения теплоносителей, необходимых для обеспечения заданного теплового потока. Выбирая скорость движения теплоносителей основываемся на получении развитого турбулентного режима, так как это позволяет улучшить коэффициент теплопередачи. В теплообменниках для использования теплоты охлаждающей жидкости и отработавших газов двигателя, принимаем скорость движения горячего теплоносителя 1 = 5…15 м/с.
Для того, чтобы уменьшить площадь теплообмена при отсутствии изменения агрегатного состояния теплоносителя, принимаем противоточное движение теплоносителей. При выборе схемы (продольное или поперечное) омывания трубок теплоносителем основываемся на критериях:
Nu/pPr0,4 5,8 - при продольном обмывании труб;
Рис. 10. Предлагаемая схема работы установки по когенерационному типу.
Nu/pPr0,4 5,8 - при поперечном обмывании труб.
При использовании тепла от охлаждающей жидкости ДВС для подогрева субстрат применяем рекуперативный аппарат противоточного типа (рис. 11, 12) Рис. 11 Теплообменник: 1 - внутренняя труба;
2 - горячий теплоноситель;
- холодный теплоноситель;
4 - корпус.
Рис. 12 Изменение температуры теплоносителя при движении по поверхности нагрева: W1, W2 - произведение массового расхода на удельную теплоемкость горячего и холодного теплоносителей;
Т1, Т2 - температуры горячего и холодного теплоносителей;
‘, “ - параметры теплоносителей на входе и выходе соответственно.
Рассмотрим, что через цилиндрическую трубу неограниченной длины при стационарном режиме передается теплота от омывающего ее с одной стороны (изнутри) горячего теплоносителя температурой t1 к омывающему ее с другой стороны (снаружи) холодному теплоносителю температурой t2 (рис. 13).
Определим линейную плотность теплового потока qл, Вт/м:
При теплопередаче от горячего теплоносителя к трубе q 1t t 1d1 cm (23) л При теплопередаче сквозь стенки трубы Рис. 13 Теплопередача сквозь стенку цилиндрической трубы (D1, D2 - внутренний и наружный диаметра трубы;
Тст1, Тст2 - температуры внутренней и наружной поверхности трубы.
t cm t q 1 cm л ln d (24) d При теплопередаче от трубы к холодному теплоносителю q 2t 2 t 2d cm 2 (25) л где, 1 - коэффициент теплопередачи от горячего теплоносителя к поверхности трубы;
2 - коэффициент теплоотдачи от поверхности трубы к горячему теплоносителю;
- теплопроводность материала стенки;
t1 и t2 - температуры горячего и холодного теплоносителей соответственно;
tст1 и tст2 - температуры внутренней и наружной поверхностей трубы;
d1 и d2 - внутренний и наружный диаметры трубы При относительной разности температур, суммируя, получаем:
tt qл 1 1 1, d ln (26) d 1 2 1 d d1 k 1 1 1 линейный коэффициент теплопередачи, но d 1 2ln 1 d d d Вт/м.К. Тогда уравнение (26) примет вид q л л kt t (27) Считая, что тепловые потери в окружающую среду отсутствуют, тепловой поток от горячего теплоносителя Q1 равен тепловому потоку к холодному теплоносителю Q2. Откуда:
Q 1 pm t m2t pm c 2 ' m 1 c' " " 1t t (28) m h 22 ' 1 ) или Q( m h h1 h " ' " (29) где, m - массовый расход теплоносителя, кг/с;
сpm - средняя теплоемкость теплоносителя при постоянном давлении, Дж/кг.К;
t - температура теплоносителя, К;
h - удельная энтальпия теплоносителя, Дж/кг.
c ;
t t t Если W m pm 1 1;
2 2 2, то уравнение теплового ' " " ' ttt баланса будет: Wt 2 t 1 1 W2 (30) t W Откуда, W - следовательно, изменение температуры t2 теплоносителя обратно пропорционально произведению его массового расхода на удельную теплоемкость. Что обозначает - наибольшее изменение температуры t происходит у того теплоносителя, у которого произведение массового расхода на удельную теплоемкость (mcpm) меньше. Коэффициент теплоотдачи, 1 определяем по формуле:
Nuв (31) d Nu - критерий Нуссельта, определяем по формуле:
Nu Re, 0230,8 0, Pr (32) Подставляя в приведенную формулу выражения для критериев и Prv/ a, и решая ее относительно, получим,, в 023, (33), 4,, ad v где, a - температуропроводность воды, м2/с;
- кинематическая вязкость воды, м2/с;
- скорость движения воды, м/с;
в - теплопроводность воды, Вт/м.К;
d внутренний диаметр трубы или межтрубного пространства, м.
Тепловой поток от горячего теплоносителя к холодному определяем из выражения:
QkAtm, (34) где, k - коэффициент теплопередачи;
А - площадь поверхности теплообмена;
tm - средняя разность температур теплоносителей, называемая средним логарифмическим температурным напором.
Для случая противотока:
v v m 1 t v : где, v t1 t2 и v t1 t2.
' " " ' v 1 ln Тогда площадь теплообмена А, можно определять как:
Q A k m, м (35) t В четвертой главе рассмотрены стандарты органического земледелия.
Процесс биоконверсии, кроме энергетической, позволяет решить еще две задачи. Во-первых, сброженный навоз, по сравнению с обычным, повышает на 10-50% урожайность сельскохозяйственных культур. Объясняется это тем, что при анаэробной переработке происходит минерализация и связывание азота.
Кроме того, во время сбраживания полностью гибнут семена сорняков, которые всегда содержатся в навозе, уничтожаются микробные ассоциации, яйца гельминтов, нейтрализуется неприятный запах, т.е. достигается актуальный на сегодня экологический эффект.
Биоудобрение действует на растение сразу по внесению в почву.
Технология метанового сбраживания позволяет провести дополнительную обработку продуктов сбраживания для обогащения и связывания азота, что существенно повышает качество удобрения и в итоге повышает плодородие почвы. Положительное влияние гумуса из биоудобрений на плодородие почвы и урожайность сельскохозяйственных культур можно представить в виде комплекса взаимосвязанных процессов:
- улучаются физико-механические и физические свойства почвы;
- усиливаются процессы почвенного обмена: адсорбция удобрениями элементов питания почвы с улучшением питательного режима развития растений и повышения биологической активности, вследствие чего повышается урожайность сельскохозяйственных культур.
Органические биоудобрения состоят из жидкой и твердой фракций, которые вносят в почву как вместе, так и раздельно.
На полях агрокомплекса «Ангелово» были проведены сравнительные полевые исследования по выращиванию ярового ячменя с применением жидких биоудобрений и свежей органики. В результаты проведенных полевых опытов определено, что урожайность ячменя при внесении свежих органических удобрений (навоза) повысилась незначительно (на 4,0 %), а при использовании биоудобрений урожайность ячменя повысилась на 23,8 %, составив 37,85 ц/га (рис. 14. табл. 2).
В работе подробно описаны преимущества применения биоудобрений по сравнению с органическими и минеральными удобрениями.
Урожайность, ц/га Контроль Жидкая Жидкие органика биоудобрения Рис. 14. Урожайность ярового ячменя с делянок по вариантам опыта Таблица Урожайность ячменя с делянок по вариантам опыта Урожайность с делянок, ц/га Средняя Вариант урожайность, ц/га, % I II III IV 30,4 29,6 31,0 31,3 30,56 (100 %) Контроль Жидкая 30,8 31,6 32,5 33,2 31,77 (104%) органика Жидкие 38,2 37,2 37,6 38,4 37,85 (123,8 %) биоудобрения НСР0,5=1,76ц/га В пятой главе представлена модель расчета экономической эффективности работы биоустановки. Эффективность работы установки оценивали по сравнительному годовому эффекту представленному в виде функции: Э=(Пб – Пн) Ргод+ Эф+Эб +Эуд +ЭТ +Эсд (36) где, Пн и Пб – удельные приведенные затраты новой и базовой технологической линии;
Ргод – годовой объем работ, равный 1384т навоза КРС в год;
Эф – эффект от ликвидации ущерба, причиненного техногенными загрязнениями;
Эб – эффект от получения газообразного топлива (биогаза);
Эуд – эффект от реализации или использования биоудобрения (повышения урожайности);
Эт – эффект от продления срока службы двигателя за счт его конвертации.
Пренебрегая некоторыми составляющими уравнения (36) в связи с их незначительности, обобщенный экономический эффект может быть представлен в виде зависимости Э = (ЭП год, Эф, Эб, Эуд,Эт) Разработка представленной математической модели на ЭВМ позволяла определить общий экономический эффект внедрения рассматриваемой системы равный 503760 руб. в год и обеспечивается, в основном, за счет использования биоудобрений. Полученные результаты показывают, что экономическая целесообразность использования биогаза в сельском хозяйстве очень высока.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Разработанная математическая модель позволила определить объем биореактора для хозяйства в зависимости от количества голов скота.
2. Используя методы математического моделирования, определены параметры теплообменников для передачи теплоты с целью поддержания заданного температурного режима в реакторе и установлено требуемое количество теплоты для эксплуатации установки в оптимальном режиме.
3. С помощью математического моделирования процессов в биореакторе показано, как определить время, в течение которого происходит брожение субстрата при различных режимах работы с получением товарного биогаза, и по нему оценивать, как характер теплового баланса в реакторе, так и выбрать оптимальный режим получения товарного биогаза.
4. Коэффициент полезного действия при использовании предложенной установки (когенерационного типа - комплексное получение тепла и электричества) может составить более 90%, в отличие от получения электроэнергии или теплоты по отдельности, когда КПД=40…45%.
5. Полученный биогаз, используемый в хозяйственных нуждах, позволяет сократить затраты на электроэнергию, тарифы на которую постоянно растут (стоимость электроэнергии, полученной с помощью биогаза в 2,5 раза дешевле).
6. Использование шлама из биоустановки как биоудобрения на полях более эффективно, чем получение электроэнергии более чем в 2 раза, и дает прибавку урожайности сельскохозяйственных культур на 10…50%.
7. Использование биоустановки позволяет улучшить экологию окружающей среды, т. к. сокращает в атмосфере количество метана, который выделяется из навозохранилищ (в биоустановках при переработке навоза метан выделяется в закрытых реакторах), а он имеет в 21 раз более сильный парниковый эффект, чем углекислый газ и сохраняется в атмосфере до 12 лет.
8. Экономический эффект от комплексного использования теплоты, электроэнергии и биоудобрений из биоустановки в хозяйстве, не считая сохранения экологии и повышения плодородия почвы, составляет более рублей в год.
Публикации по теме диссертации:
Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ 1. Сатьянов С.В. Биогаз как альтернативное топливо / Захарченко А.Н., Гаджиев П.И, Захарченко А.А. // Тракторы и сельскохозяйственные машины.
№ 9, 2010. С- 31…33.
2. Сатьянов С.В. Источники получения биогаза / Захарченко А.Н.
//Сельский механизатор. №2, 2011. – с. 30-31.
3. Сатьянов С.В. и др. Экспертиза безопасной эксплуатации строительных сооружений. // журнал «Безопасность труда в промышленности.
№7. 4. Сатьянов С.В. Определение остаточного ресурса безопасной эксплуатации дымовых и вентиляционных труб / Котельников В.С., Четверик Н.П. и др. // журнал «Безопасность труда в промышленности. №10, 2009. С 60… Публикации в других изданиях 5. Сатьянов С.В. Обоснование параметров работы биореактора / Захарченко А.Н., Захарченко А.А //Труды ФГОУ ВПО РГАЗУ. 6. Сатьянов С.В. Биогаз в современных технологиях сельского хозяйства / Захарченко А.Н., Захарченко А.А., Руфаи И. //Доклады ТСХА, вып. 282, Ч.1. М.: Изд-во РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 3010. С-460… 7. Сатьянов С.В. Получение биогаза и удобрений при переработке навоза / Захарченко А.Н., Гаджиев П.И., Захарченко А.А. // Доклады ТСХА, М.: Изд-во РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 8. Патент №2254427. Способ оценки промышленной безопасности дымовых и вентиляционных труб (варианты). Сатьянов С.В., Сатьянов В.Г., Пилипенко П.Б., Французов В.А.