Солнечная энергетика в России Гелиоэнергетика. Использование солнечной энергии Геотермальная энергия Геотермальное теплоснабжение Мини-теплоэлектростанция на отходах

Биоэнергетические установки и заводы

Биоэнергетические установки (БЭУ) и биоэнергетические заводы (БЭЗ) предназначены для утилизации отходов сельскохозяйственных предприятий, пищевой промышленности и бытового сектора с производством горючего газа и органических высокоэффективных удобрений, образующихся в результате метанового сбраживания навоза животных, помета птиц и растительных остатков в анаэробных условиях.

Таблица 5.1

Биоэнергетические установки и заводы

Технические показатели

БЭУ- 10

БЭУ-20

БЭУ-200

БЭЗ-1000

Энергетическая мощность БЭУ, кВт,

не менее

6

12

90

700

Выработка газа, м3/сут.

25-30

50-60

500-600

2500-3000

Энергопотребление БЭУ, кВт, не более

1,5

4

20

140

Суточная загрузка, м3

1

2-4

20-40

100-150

Влажность загружаемой пульпы, %

85-95

85-95

85-95

85-95

Газовый состав горючего газа, %%

Метан, не менее

60

60

60

60

Углекислый газ, не более

40

40

40

40

Сероводород, водород и др., не более

1

1

1

1

Теплота сгорания газовой смеси, МДж/м3

22

22

22

22

Объем биореактора,м3

10

20

200

1000

Избыточное давление газа, номинальное, КПА

4

4

4

4

Температура в полости биореактора, °С

Режим 1

35±2

35±2

35±2

35±2

Режим 2

54±2

54±2

54±2

54±2

Ориентировочная стоимость в тыс. долл. США

5

10

29

102

БЭУ содержит:

– систему поддержания температуры в биореакторе с водогрейным котлом и отопительным регистром, размещенным в полости биореактора;

– совмещенный газгольдер;

– устройство газовой безопасности;

– пневматическое перемешивание.

Процессы полностью автоматизированы.

5.3. Методика расчета биогазовых установок

Расчету биогазовых установок должен предшествовать выбор технологии к конструктивного выполнения, т. е. прежде всего нужно определить и обосновать:

– температуру брожения (мезофильный или термофильный процесс);

– продолжительность брожения;

– режим заполнения метантенка;

– систему теплоснабжения метантенка;

– систему сбора биогаза;

– технологию загрузки биомассы и разгрузки шлама.

Например, если выбран мезофильный процесс брожения, то это определяет необходимость удерживать температуру около +32 °С. Продолжительность процесса – 15 суток. Загрузка навоза беспрерывная с ежедневной заменой 1/15 биомассы метантенка. Метантенк может быть изготовлен из бетона. Форма метантенка – цилиндр, покрытый сверху и снизу срезанными конусами. С целью минимизации теплопотерь от метантенка в окружающую среду его теплоизолируют: слоем шлакобетона (0,3 м), шлаковой засыпкой (0,5 м), земляным валом (1 м). Температура в метантенке поддерживается водяным теплообменником. Перемешивание биомассы в метантенке – механическое с электроприводом.

Суточный выход биомассы для сбраживания в метантенке определяется по формуле

, (5.1)

где Ni – количество животных данной возрастной и видовой группы, которые содержатся на ферме; mi – суточный выход навоза от одного животного; n – количество групп животных.

В зависимости от условий содержания животных к их навозу прибавляется определенное количество примесей: вода, остатки корма, подстилка и пр.

Анализ состава навоза животноводческих ферм показал, что в нем содержится до 20-95 % технической воды; подстилки – 12-18 %; остатков корма 8-12 %, грунта и прочих примесей до 18 %. Остатки корма и подстилки влияют на суммарное содержание сухого органического вещества в биомассе, а количество воды определяет ее влажность. Для приближенных (оценочных) расчетов можно использовать поправочные коэффициенты, а содержимое сухих веществ и влажность определяют по табл. 5.2; 5.3; 5.4; 5.5.

Таблица. 5.2

Суточное количество экскрементов крупного рогатого скота и свиней

Вид животных

Суточное количество экскрементов

 от одного животного, кг

Быки племенные

40

Корова дойная

35-55-55

Телята до 6 мес.

7,5-15-15

Телята на откорме (6-12 мес.)

14-26-2

++

Нетели (12- 18 мес.)

35

Хряки

9,2-11-11,1

Свиноматки холостые

8,6-8-8,8

Свиноматки супоросные

10-10-10,8

Свиноматки подсосные

12,5-15-15,3

Свиньи на откорме до 30 кг

1,8-2-2,4

Свиньи на откорме до 40 кг

3,2-3-3,5

Свиньи на откорме до 80 кг

4,5-5-5,1

Свиньи на откорме больше 80 кг

6,2-6-6,6

Таблица 5.3

Суточный выход помета 1 гол. взрослых птиц, г

Куры

Индюки

Утки

Гуси

яичного

направления

мясного

направления

170-200

270-310

450

420

580


Таблица 5.4

Состав побочных продуктов в процентах к сухому веществу

Компонент

Компонент

Солома

Ботва

ячмень

пшеница

рожь

кукуруза

свекла

картофель

Органическая масса

93,8

94,4

95,4

91,7

98,5

78,9

Азот

0,6

0,5

0,5

1,2

2,0

2,3

Фосфор

270-310

0,1

0,1

0,2

0,3

0,2

Калий

1,4

0,8

0,9

2,3

3,6

1,7

Кальций

0,3

0,1

0,2

0,8

1,4

2,6

Клетчатка

(сырая)

43,5

45,5

47,5

33,3

11,5

23,8

Лигнин

15-20

15-20

15-20

5,5

C/N

84

90-165

80-150

30-65

18

17

Таблица 5.5

Состав экскрементов животных в процентах к сухому веществу

Компонент

Вид животных

К PC на откорме

Дойные

коровы

Свиньи

Куры

Органическая масса

77-85

77-85

77-85

76-77

Азот

2,3-4,0

1,9-6,5

4,0-10,3

2,3-5,7

Фосфор

0,4-1,1

0,2-0,7

1,9-2,5

1,0-2,7

Калий

1,0-2,0

2,3-2,4

1,4-3,1

1,0-2,9

Кальций

0,6-1,4

2,3-4,9

5,6-11,9

Клетчатка

(сырая)

27,6-50,6

27,6-50,6

19,5-21,4

13,0-17,8

Лигнин

13-30

16-30

9,6-14,3

C/N

9-15

9-15

9-15

9-15

Суточный выход навоза с учетом содержимого прочих примесей (остатки  корма, подстилка и пр.) определяется по формуле

, (5.2)

где kn – поправочный коэффициент (1,3-1,6), учитывающий подстилку и остатки корма.

Масса сухого вещества в навозе

, (5.3)

где W % – влажность навоза.

Масса сухого органического вещества

, (5.4)

где Pс.о.в.% – содержимое сухого органического вещества в навозе.

Выход биогаза при полном разложении (сбраживании)

  Vпол = mс.о.в.∙nск , (5.5)

где nск – содержание сухого органического вещества в экскрементах, %.

Выход биогаза при неполной продолжительности сбраживания

, (5.6)

где n1 – степень сбраживания субстрата, n1 = 60-70 %.

Объем метантенка при полной загрузке

, (5.7)

где τсут – число загрузки реактора за сутки; ρс– плотность субстракта, кг/м3.

Плотность навозной массы можно принимать равной плотности воды, т. к. ее влажность превышает 90 %.

Отношение Vпол. загр/VM должно находиться в пределах 0,7-0,9. Потери теплоты в метантенке определяются по формуле

QT.M =Qп + QО.С. + Qмех , (5.8)

где qП – потери теплоты на подогрев субстрата при температуре брожения; Qо.с. – потери энергии в окружающую среду; Qмех – расход энергии на перемешивание субстрата в процессе брожения.

Количество теплоты, которая расходуется на подогрев загруженной на протяжении суток биомассы до температуры процесса брожения, равно:

QП = mсут∙сс(tв-tз.б.). (5.9)

Температура загруженной биомассы tз.б зависит от способа ее загрузки в метантенк. Если масса поступает непосредственно из животноводческого корпуса, то ее температура такая же, как в помещении. Если массу для сбраживания берут из хранилища для навоза, то ее температура равна температуре воздуха окружающей среды. Температура брожения зависит от принятого в проекте типа бродильного процесса; для термофильного брожения tб = +52... + 54 °С; для мезофильного – tб = +32... + 34 °С. Среднее значение теплоемкости субстрата

сс = 4,18∙10-3 МДж/(кг∙К). (5.10)

Теплопотери от метантенка в окружающую среду, Вт, определяются по формуле:

Qо.с = k∙АМ(tв-tо.с), (5.11)

где AМ – площадь наружной поверхности метантенка, м2; k – коэффициент теплопередачи от субстрата к окружающей среде Вт/(м2∙К); tо.с. – температура окружающей среды, °С.

Как правило, менантенки имеют цилиндрическую форму. Принимая отношение высоты менантенка к его диаметру H/D = 0,9-1,3 , по значению VM можно определить АM.

Коэффициент теплопередачи находим по формуле:

, (5.12)

где aв, aн – коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхностях метантенка, Вт/(м2∙К); δi – толщина стенки и слом утеплителей метантенка, м; λi – коэффициенты теплопроводности стенки и утеплителей метантенка, Вт/(м∙К).

Учитывая, что скорость движения субстрата в процессе его механического перемещения незначительна, можно считать, что процесс теплообмена на внутренней поверхности метантенка происходит при условиях свободной конвекции. Теплопроводность материала, из которого изготовлен метантенк: бетон – λ=1,74-1,92 Вт/(м∙К); сталь – λ = 1,74-1,92 Вт/(м∙К). Теплопроводность утеплителей: маты минераловатные – λ = 1,74-1,92 Вт/(м∙К); вулканитовое волокно – λ = 1,74-1,92 Вт/(м∙К). Теплопроводность грунта зависит от его вида, плотности и влажности. Она может быть принята равной для песчаных грунтов 1,1 Вт/(м∙К), для глинистых – 1,75 и для высоковлажных – 2,3 Вт/(м∙К).

Тепловую потерю в окружающую среду следует определить для самого холодного и самого теплого периодов. За расчетную величину принимают их среднеарифметические значения.

Расход энергии на механическое перемешивание субстрата в метантенке определяют по формуле

Qмех = qнорм∙VM∙z , (5.13)

где qнорм – удельная нагрузка на мешалку (50 Вт/м3∙ч); VM – объем метантенка, м3; z – продолжительность работы мешалки на протяжении суток (≈ 8 час).

Энергия биогаза, которая вырабатывается на протяжении суток:

Qбг=Vв , (5.14)

где Qnp – теплота сгорания биогаза.

Можно принять: Qnp = 21-28 МДж/м3.

Общая суточная выработка энергии биогазовой установкой, МДж:

Qб= Qбг - QTM . (5.15)

Коэффициент товарности биогазовой установки:

. (5.16)

Считают, что биогазовая установка вырабатывает биогаз на протяжении 350 дней. На профилактический ремонт биогазовой установки дается 15 суток.

Экономия условного топлива, кг, за счет полученного в течение года биогаза составляет

. (5.17)


Использование водной энергии земли