Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Мировой опыт производства биогаза и его эффективность 7
1.1. Энергетический потенциал биогаза. 7
1.2. Биогазовые установки и методы их расчета. 17
1.3. Технико-экономические аспекты производства биогаза . 30
Глава 2. Научные основы построения и расчета технологических линий производства биогаза 44
2.1. Общая характеристика метаногенеза и обоснование технологических схем получения биогаза. 45
2.2. Массообмен и характеристики навоза при его сбраживании в метантенках . 60
2.3. Метод эффективного производства биогаза и его математическая модель. 67
Глава 3. Экспериментальные исследования процесс получения биогаза на лабораторных и пилотных установках 82
3.1. Характеристики выхода биогаза при анаэробной обработке навоза в метантенках и их анализ. 84
3.2. Исследование процесса производства биогаза из навозных стоков и продуктов их обработки на очистных сооружениях. 98
3.3. Технологические условия эффективного производства биогаза из навоза и навозных стоков. 107
Глава 4. Энергетическая оценка процесса производства биогаза 120
4.1. Экспериментальное исследование энергетического баланса на промышленной установке. 120
4.2. Методика и результаты расчета энергетического баланса производства биогаза в России. 130
4.3. Альтернативные методы энергосбережения при производстве биогаза. 139
Глава 5. Реализация исследований и оценка эффективности производства биогаза на животноводческих фермах России. 150
5.1. Методические рекомендации по расчету биогазовых установок. 150
5.2. Установки для производства биогаза из отходов животноводства. 156
5.3. Методика и пример расчета эффективности биогазовых установок. 171
5.4.Прогноз производства биогаза в России. 182
Общие выводы 191
Список использованной литературы 195
Приложения 226
- Технико-экономические аспекты производства биогаза
- Массообмен и характеристики навоза при его сбраживании в метантенках
- Исследование процесса производства биогаза из навозных стоков и продуктов их обработки на очистных сооружениях.
- Методика и результаты расчета энергетического баланса производства биогаза в России.
Введение к работе
Возникновение и обострение экологических проблем, рост цен на отдельные энергоресурсы обусловили значительный интерес к использованию технологии биоконверсии органических отходов для получения энергии.
Тот факт, что животные плохо усваивают энергию растительных кормов и, что более половины этой энергии используется непроизводительно -уходит в навоз, позволяет рассматривать последний не только как ценное сырье для органических удобрений, но и как мощный возобновляемый источник энергии.
После второй мировой войны, в связи с энергетическим кризисом, во многих странах Европы для покрытия недостатка жидкого топлива обратили серьезное внимание на возможность получения биогаза из отходов животноводства, в частности, из навоза сельскохозяйственных животных.
Производимый биогаз в основном сжимали и использовали для привода тракторов.
Однако в конкуренции с дешевыми видами традиционного топлива, производство биогаза и его утилизация оказались экономически невыгодными.
В последние годы положение в сельском хозяйстве с энергетическим сырьем принципиально изменилось. Острый дефицит энергии, обусловил ускоренное осуществление научно-исследовательских программ, направленных на практическое использование дополнительных местных ресурсов топлива. При таких обстоятельствах проблематика по переработке навоза в биогаз выдвигается опять на передний план. Причины, ведущие к обновлению интереса к анаэробному сбраживанию, выходят за рамки, ограниченные исключительно энергетическим обоснованием.
Переход животноводства на индустриальную основу и, связанная с этим процессом концентрация животных на крупных фермах и комплексах обусловили резкое увеличение навозных стоков, которые должны утилизироваться, не загрязняя окружающую среду.
Один из путей рациональной утилизации навоза и навозных стоков животноводческих ферм - их анаэробное сбраживание, которое обеспечивает обезвреживание навоза и сохранение его как удобрения при одновременном получении локального источника энергии - биогаза.
Интерес к получению только биогаза сменился пониманием значения этого процесса для экологии, как энергосберегающего процесса обработки навоза и очистки навозных стоков.
К настоящему времени в мире разработано и построено более тысячи крупных промышленных установок для переработки навоза сельскохозяйственных животных в биогаз. В России такие установки пока не получили широкого распространения, за исключением нескольких опытно-промышленных установок, разработанных в соответствии с государственными программами. Этими же программами, составленными на основе предварительных испытаний биогазовых установок, предусматривалось замещение жидкого топлива биогазом.
Однако ожидаемого замещения пока не состоялось. Причин довольно много. Это и недостаточная изученность процесса, отсутствие научно-обоснованных методов построения технологических линий для производства биогаза, отсутствие данных об энергетическом балансе биогазовых установок и их эффективности, а также в том, что программы были составлены без учета фактических условий и возможностей применения анаэробного сбраживания на фермах. Анализ литературных источников показывает, что биогазовые установки разрабатывались без учета их использования в технологических линиях утилизации навоза, а получение биогаза рассматривалось без взаимосвязи с параметрами установок и температурой окружающей среды. В результате возникли явные противоречия между теорией процесса анаэробного сбраживания навоза с получением биогаза и методами построения и расчета технических средств для его осуществления. Применяемые методики основаны на использовании эмпирических моделей и не дают полного представления об энергобалансе производства биогаза.
Имеющиеся сведения о затратах энергии на собственные нужды процесса в сопоставлении с энергией полученного биогаза носят конкретный характер и не могут быть использованы для оценки энергобаланса производства биогаза из навоза с различными физико-механическими свойствами в различных природно-климатических зонах.
Отсутствие достоверных данных об энергетическом балансе биогазовых установок и методов экономической оценки не позволяет объективно судить об их эффективности, что сдерживает вовлечение в народное хозяйство страны энергетического потенциала навоза сельскохозяйственных животных.
Из вышеизложенного следует о наличие проблемы, которая может быть сформулирована как разработка и совершенствование технологий производства биогаза и обоснование эффективности их применения на животноводческих фермах.
Для достижения поставленной цели были проведены исследования по обоснованию технологических схем , разработан метод эффективного производства биогаза из отходов животноводства, выполнены теоретические и экспериментальные исследования процесса получения биогаза из различных видов навоза и навозных стоков, на основе которых разработаны методические рекомендации по расчету биогазовых установок; исследован энергетический баланс биогазовых установок и определены его значения применительно к условиям климатических зон страны; обоснованы и уточнены объемы потенциального производства биогаза в России; созданы и внедрены в народное хозяйство России ряд новых усовершенствованных биогазовых установок и обоснованы методы их экономической оценки. Основная часть работы была выполнена в соответствии с Государственной программой ГКНТ СССР задание 0309 "Разработать и осуществить строительство биоэнергетических установок по переработке отходов животноводства и птицеводства в газообразное топливо и удобрения" в 1981-85 гг. , программой КПНТП СЭВ "Разработка технологии утилизации сельскохозяйственных отходов" в период 1986-91 гг. и заданиями тематического плана ВИЭСХ по Государственным программам Миннауки России "Экологически чистая энергетика" 1990-1991 гг. и "Новые источники энергии на 1992-1998 гг.". Основные положения, выносимые на защиту:
- Метод эффективного производства биогаза и его математическая модель.
- Технологии и технологический регламент производства биогаза при обработке навоза в анаэробных условиях.
- Методика инженерного расчета биогазовых установок.
- Энергобаланс биогазовых установок и энергетическая оценка эффективности производства биогаза из навоза различных видов и состава.
- Технические и технологические решения установок для производства биогаза на животноводческих фермах.
Технико-экономические аспекты производства биогаза
В таблице 1.6 приведены основные характеристики биогазовых установок европейских стран, из которой видно, что подавляющая часть биогазовых установок, действующая в западно-европейских странах, работает в мезофильном режиме, т.е. сбраживание осуществляется при температуре 30-37С.[353]. В Японии, Германии и Швейцарии намечается тенденция к использованию психрофильных процессов брожения, протекающих при температурах окружающей среды. [372, 376, 378, 393, 391, 385].
По мнению западных экспертов это направление, являясь достаточно экономичным, может получить дальнейшее развитие в ближайшей перспективе. [284, 287]. Использование термофильных процессов для осуществления сбраживания навоза при температуре 60-65С редко встречается в сегодняшней практике. [344].
Из представленных данных следует, что до сих пор нет единого мнения об наиболее экономичном температурном режиме анаэробного сбраживания. Это же относится и режимам работы установок, построенных в нашей стране, в которых навоз обрабатывается при температуре 35 С (Истра и Пярну), 40С (КОБОС) и 55С (ОГРЕ) (Таблица 1.7).
Что касается продолжительности обработки навоза и дозы суточной загрузки, то принятые значения этих параметров имеют еще более широкий диапазон изменения (от 5 до 30 суток - время обработки и соответственно от 3 до 20% - доза суточной загрузки). Удельный объем метантенков в расчете на одну условную голову составляет от 2,57 м3/гол (Венгрия) до 0,625 м3/гол (КОБОС); удельный выход биогаза от 0,5 м3/гол до 2,0 м3/гол.
Эти данные свидетельствуют об отсутствии научно-обоснованных рекомендаций по определению параметров биогазовых установок и их технологического регламента - поскольку параметры установок одного и того же назначения отличаются в 4-5 раз. Необходимо отметить, что метаногенез требует значительных затрат тепловой энергии на осуществление процесса. Чем выше температура, тем выше затраты дополнительного тепла. Поэтому повышение скорости метаногенеза за счет температурного эффекта имеет некоторые негативные стороны. Особенность разработки технологий получения биогаза состоит в том, что экономическая эффективность зависит от конкретных условий региона, хозяйства, где планируется размещение биогазовых установок. [279, 297, 298, 340].
В северных районах в целях экономии топлива предпочтительнее использовать мезофильный режим, проигрывая при этом в скорости, то есть увеличивая время удержания или увеличивая рабочий объем реакторов. Примером последнего могут служить конструкции биогазовых установок, разработанных фирмой "АВ Enbom" (Финляндия), работающих в условиях Лапландии, температурный режим ферментации 33С. [324, 317, 339].
В отдельных случаях с целью снижения тепловых затрат и для увеличения выхода товарного биогаза процесс метаногенерации разделяют на две фазы: кислогенную и метаногенную. Первую осуществляют при 30-35С, вторую -при 55С. [328, 336, 367]. Показатели выхода биогаза на этих реакторах находятся в полном соответствии со значениями удельной нагрузки на единицу объема реакторов и составляют от 0,67 до 2,55 м3/м3сут. Широкий диапазон их значений, с одной стороны, объясняется многообразием условий сбраживания жидкого навоза с различной концентрацией, а с другой стороны, указывает на недостаточную изученность процесса анаэробной переработки навоза в биогаз.
В таблице 1.7 даны экономические показатели биогазовых установок, разработанных в СССР. [3]. Институтом ВНИПИэнергопром проработана (на уровне предложения) биогазовая установка для колхоза "Украина" Крымской области. Установка рассчитана на производство 1000 м биогаза в сутки. Реактор предполагается выполнить из двух емкостей до 750 м3, стоимость установки - 1 млн.250 тыс.руб.
Установка "Кобос-1" разработана как модульный вариант для поставки в хозяйства. Стоимость оборудования определена в 170 тыс. руб., капитальные затраты (с учетом строймонтажа) - 350 тыс. руб. [161].
На свиноферме подсобного хозяйства Сумского машиностроительного объединения им. М.В. Фрунзе построена и испытана установка "Биогаз-301 С". Стоимость установки составляет 85 тыс. руб. [175, 177]. Из таблицы 1.7 следует, что стоимость 1 м реактора рассмотренных установок лежит в пределах 274... 1400 руб., а биогаза - 167... 1435 руб. на 1 т условного топлива.
Эффективность биогазовых установок изменяется в широких пределах, поскольку она сильно зависит от природно-климатических условий, эксплуатации, вида, состава и состояния исходных для сбраживания материалов, технологических и технических параметров установки и режимов ее работы. Чем дороже станет энергоноситель, с которым ведется сравнение (жидкое топливо), тем более эффективными будут биогазовые установки. На основании проведенных в Германии экономических расчетов было установлено, что возможно гарантировать экономичность биогазовых установок, если удельные первоначальные капвложения на 1 усл. гол. не превышают 1000-2000 немецких марок, а удельный выход полезно используемого газа не менее 0,4 м3 с 1 кг сухого органического вещества.
По данным американских исследователей себестоимость производства биогаза составляет для биогазовых установок, работающих в непрерывном режиме, 0,27-0,52 долл./м3. [331]. При этом биогазовая установка должна удовлетворять энергетические потребности производства при температуре окружающего воздуха не ниже 2С. В условиях более холодного климата необходим внешний приток энергии. С учетом эффекта от дезодорации и использования высококачественного удобрения себестоимость производства 1 м3 биогаза снижается на 15-20% по сравнению с затратами только по биологической установке. [345, 348, 351,357].
Показатели удельных капитальных вложений и ежегодных эксплуатационных затрат при производстве биогаза из навоза с крупных откормочных площадок с поголовьем от 1 до 100 тыс.КРС (для условий США) приведены в таблице 1.8. [276].
Массообмен и характеристики навоза при его сбраживании в метантенках
Как показал опыт эксплуатации биогазовых установок максимальная влажность сбраживаемой массы в метантенке W0 должна быть более 90%, что обусловлено прежде всего ограничениями, вводимыми техническими средствами для загрузки исходного и выгрузки сброженного навоза, а также перемешивающими устройствами, служащими для перераспределения фаз субстрата. Для сбраживания подстилочного навоза в метантенках с рециркуляцией жидкой фракции (рис.2.8) принимаем, что влажность сбраживаемого навоза в метантенке должна быть равной 91 + 0,5% в течение всего процесса сбраживания и поддерживаться на этом уровне. [82]. Для поддержания влажности сбраживаемого навоза на постоянном заданном уровне W0, необходимо соблюдать условия баланса масс, входных и выходных потоков, которые определяются количеством исходного навоза тт и его влажностью WT, количеством выделенного биогаза Шб, а также массой твердой фракции сброженного навоза - т и его влажностью Wr$. Согласно закону сохранения массы в биохимических реакциях, количество разложившегося беззольного органического вещества за определенный промежуток времени (например, в течение суток) равно массе вьщелившегося за этот период времени биогаза, то есть mp = тъ.. В процессе брожения органической массы вместе с биогазом выделяются пары воды, массой их можно пренебречь, так как в технологических схемах можно установить осушители биогаза, а конденсат воды возвратить в метантенк.
Тогда масса вьщелившегося за сутки биогаза будет равна mb = Vcpb (2.1) где Vc - суточный выход биогаза; р ь - плотность биогаза. Уравнении баланса с учетом выхода биогаза при условии m0 = const и W0 = const составит где mT , Штф- масса подстилочного навоза и твердой фракции сброженного навоза соответственно; ттс, Штф0 - масса сухого вещества подстилочного навоза и твердой фракции сброженного навоза соответственно. где WT ,WT$ - влажность подстилочного навоза и твердой фракции сброженного навоза. Решив совместно уравнения (2.2) и (2.3), получим выходные характеристики сброженного навоза после разделения на фракции, которые равны При этом максимальная влажность подстилочного навоза, который можно применять в технологической линии сбраживания навоза с рециркуляцией жидкой фракции. Очевидно, что если влажность исходного навоза будет равна WTmax, то технологический процесс будет осуществлен без разделения сброженного навоза на фракции, то есть в данном случае не требуется жидкая фракция, а влажность навоза в накопителе будет поддерживаться на постоянном уровне. Другой характеристикой анаэробного сбраживания, оказывающей определяющее влияние на эффективность процесса, является доза суточной загрузки метантенка.
Для проточных метантенков доза суточной загрузки определяется как VH - объем суточной дозы загрузки метантенка; V0 - объем сбраживаемого навоза. По мере загрузки исходного навоза в метантенк и распределения его путем перемешивания по всему объему сбраживаемого навоза, некоторая часть исходного навоза проскакивает через шлюзовую камеру метантенка и выгружается вместе со сброженным навозом. Другая часть навоза задерживается в метантенке на более длительное время. Это приводит к неравномерной обработке частиц исходного навоза, что в конечном итоге влияет на степень разложения органического вещества и, следовательно, на выход биогаза. В настоящее время не выяснено, какая должна быть интенсивность перемешивания. Пока существует мнение, что нужно поддерживать субстрат в гомогенном состоянии при минимальных затратах энергии [8, 32, 132]. Для определения остатка дозы загрузки навоза рассмотрим массообмен в метантенке с проточной системой сбраживания при крайних положениях степени перемешивания. 1) Ух = 0 (метантенк идеального вытеснения), когда каждая доза загрузки сбраживаемого навоза, условно выделенная двумя плоскостями, движется в метантенке как твердый поршень, вытесняя предыдущую дозу загрузки и не перемешиваясь ни с предыдущей, ни с последующей за ним дозой загрузки; 2) Yt = 100% (метантенк идеального перемешивания), когда в метантенк устанавливаются абсолютно одинаковые условия в любой его точке. Для метантенка идеального перемешивания остаток дозы загрузки у при ежесуточной загрузке и выгрузке метантенка зависит от продолжительности сбраживания х. Тогда остаток дозы суточной загрузки метантенка после первой выгрузки сброженного навоза, то есть при х = 1, составит а через определенный промежуток времени X Графики, построенные по этому уравнению, показаны на рис.2.9 для различных доз загрузки метантенка. Для малых доз загрузки метантенка (1-3%) время технологической выдержки навоза может достигать до 100 суток и более. [86, 91]. Как видно из рис.2.9, остаток дозы суточной загрузки метантенка с течением времени интенсивно падает до 5%. Поэтому в первом приближении можно считать, что биогазовая установка с проточной системой сбраживания и идеальным перемешиванием входит в Тогда цикл сбраживания навоза для метантенка с проточной системой сбраживания будет находиться в пределе хт хц to Таким образом, при сбраживании в проточном метантенке из него удаляется неперебродившая органическая масса и не полностью используется энергетический потенциал исходного навоза. Для относительно низко концентрированных навозных стоков и производных их обработки на очистных сооружениях (избыточный ил, фугат, осадки отстойников) необходимым условием интенсивного проведения сбраживания является удержание биомассы в анаэробных реакторах. Это главный технологический принцип работы всех анаэробных биофильтров, реализация которого возможна на основе способности метановых бактерий создавать закрепленные или хорошо седементирующие макроструктуры. [113, 114, 115, 116] Поддержание высокой концентрации анаэробной биомассы в объеме биофильтра может осуществляться несколькими способами. - выделением флокул биомассы из эффлюента посредством седементации, флотации, центрифугирования или ультрафильтрации с последующим возвратом в реактор; - удержанием флокул биомассы в пустотах неподвижного загрузочного материала; - удержанием в виде биопленки, образующейся на поверхности частиц носителя (свободных или неподвижных); - удержанием с помощью специальных внутренних устройств, хорошо оседающих агрегатов биомассы (гранул, компактных флокул). Скорость накопления биомассы, характеризующая направленность переходных процессов в нестационарном режиме, определяется по уравнению
Исследование процесса производства биогаза из навозных стоков и продуктов их обработки на очистных сооружениях.
Опыты по оценке интенсивности метаногенеза при разложении органических веществ непосредственно из навозных стоков свинофермы проводили в лаборатории опорного пункта ВИЭСХ на экспериментальном полигоне в Нижнегорском районе Крымской области. Культвирование осуществляли при 37-39 С на лабораторной установке из 4-х биореакторов с рабочим объемом 30 л каждый, в которых использовались различные материалы носители. [314]. Общий вид лабораторной установки для обработки навозных стоков. 1- контрольный биореактор; 2- биореактор с пакетом пластмассовых труб; 3- биореактор с керамзитовым наполнителем; 4- биореактор с наполнителем - асбестовый шнур. Общий вид лабораторной установки показан на рис.3.11. Биореактор 1 не имел носителя (контрольный), биореактор 2 содержал носитель в виде гофрированных пластиковых труб диаметром 15 см, заполненных керамзитом, биореактор 3 - стеклохолст, реактор 4 - асбестовый шнур. Результаты по изучению динамики образования метана в изолированных пробах, содержащих жидкость, осадок и материалы-носители из трех реакторов приведены в таблице 3.3. В опытных вариантах ("О") до 10% объема пробы занимали материалы-носители.
В варианте 1А количество осадка было минимальным, в основном пробы были представлены жидкой фракцией сбраживаемой массы. Как видно из данных таблицы, практически во всех случаях присутствие материалов-носителей с обрастаниями на них повышало скорость метаногенеза. Наиболее ярко этот эффект проявился в варианте 1А, где количество осадка было значительно меньшим, чем в других пробах. Здесь скорость образования метана была в первые двое суток выше на 50%, в последующие двое суток - -а 34% и к концу недели - на 26%, что связано с исчерпанием субстратов. В присутствии осадка наличие материалов-носителей с обрастаниями увеличивало скорость метаногенеза в среднем на 6-15%. Таким образом, применение жесткой загрузки является эффективным для обработки жидкой фракции, содержащей мало взвешенных частиц. При накоплении осадка, в нем накапливается также активная микрофлора, что однако уменьшает полезный объем реактора. Средние скорости образования метана во всех вариантах опыта составляли в среднем 1,5 ммоль СІНЦ/мл сбраживаемой массы в сутки. Определение содержания летучих жирных кислот в пробах из трех реакторов показало, что реактор с керамзитом в качестве носителя работает лучше других, концентрация ЛЖК в нем была ниже.[108, 114, 115]. Полученные результаты показали, что процесс накопления активной биомассы и колонизации микроносителей микроорганизмами происходит сравнительно медленно. На всех исследованных материалах-носителях наблюдалось развитие слизистых бактериальных пленок. Рис.3.13. На керамзите хорошее обрастание наблюдалось только на поверхности окатышей и субстрата, внутренние части малодоступны для бактерий. Естественная иммобилизация микроорганизмов обеспечивает накопление бактериальной массы метаногенов и увеличивает выход биогаза с единицы рабочего объема реактора. После трех месяцев работы реакторов наибольший выход биогаза 1,5-2,0 л/л сбраживаемой массы в сутки наблюдался в реакторах с носителями. [147,318,319,320].
Методика и результаты расчета энергетического баланса производства биогаза в России.
Как следует из представленных данных рис.4.3, наибольший расход энергии на собственные нужды установки был в зимние месяцы года, и максимальное его значение составило в январе - 88% от энергии выработанного биогаза. Именно в этот период наблюдалась наиболее холодная погода. Зависимость расхода энергии на процесс от температуры воздуха показан на рис.4.4. Общий расход энергии на собственные нужды установки составил за период испытаний 7007 кВт ч или 57% энергии полученного биогаза. Таким образом биогазовая установка имеет положительный энергетический баланс. Высокий процент расхода на собственные нужды объясняется сравнительно низкой дозой загрузки навоза в метантенк, среднее значение которой составило - 1% на весь период ввода установки в действие. За период испытаний обработано в биогазовой установке 130 т жидкого навоза КРС. Средний выход биогаза составил 14,9 Нм3 из 1 т навоза. Суточный выход биогаза составил 10,75 Нм3/сутки. Поэтому при дальнейших испытаниях опыты проводили в непрерывном режиме сбраживания. При этом в главную задачу опытов входило помимо изучения теплового баланса и достижение максимального выхода биогаза. На основе исследований, вьшолненных нами в главах 2 и 3,было определено, что наиболее эффективной дозой суточной загрузки метантенка является доза, равная 4,5% от рабочего объема камеры сбраживания, что составляет 2,34 м3 в сутки. Опыты проводили на навозе КРС, средняя влажность которого составляла 90,3%, зольность - 18,6%. 129 При проведении опытов определяли общие затраты энергии на технологический процесс и составляющие этих затрат - на нагрев навоза, компенсацию теплопотерь и электропривод механизмов.
Масса загруженного навоза, т Расход электроэнергии на предварительный подогрев навоза и поддержание процесса сбраживания, кВт.ч Общий расход электроэнергии на работу установки, кВт.ч Расход энергии на собственные нужды установки, ГДж Количество выделившегося биогаза, м3 Энергия, полученная при сжигании биогаза, ГДж Количество товарного биогаза, м3 Доля товарного биогаза в общем выходе биогаза, % Как следует из приведенных данных, энергия полученного биогаза при непрерывном режиме работы значительно превосходит затраты энергии на процесс, которая составила 39,1 и 46,6% соответственно в июле и октябре. Таким образом испытания показали, что биогазовая установка при работе в непрерывном режиме и при правильно выбранной дозе суточной 130 загрузки в условиях Московской области имеет положительный энергетический баланс. Рис.4.5. Энергетический баланс процесса сбраживания навоза при эксплуатации реактора в непрерывном режиме. 4.2. Методика и результаты расчета энергетического баланса производства биогаза в России Условия эксплуатации биогазовых установок в нашей стране чрезвычайно разнообразны: они должны перерабатывать навоз КРС, свиней, овец, птиц как в чистом виде, так и в смеси друг с другом и добавками подстилки, растительных остатков и др. Эксплуатация их возможна в различных природно-климатических условиях со среднегодовой температурой от -10С до +16С, а в отдельные дни температура наружного воздуха может колебаться от - Ю до +50С. Эти обстоятельства в значительной мере влияют на энергоемкость процесса поддержания температурных условий внутри метантенка и, как следствие, на энергетический баланс биогазовой установки. В этой связи нами были выполнены расчеты по определению энергетического баланса производства биогаза для различных природно-климатических условий России, в которых расположены животноводческие фермы В качестве исходных данных для расчета были приняты типоразмерный ряд животноводческих ферм и их географическое размещение способы уборки навоза на этих фермах, его количество и физико-механические свойства. [164]. результаты собственных исследований по определению характеристик выхода биогаза и параметров биогазовых установок [глава 3]. Расчеты проводили применительно к четырем группам климатических районов: 1 - очень холодный, холодный, арктический со среднегодовой температурой -9,8С, П - умеренно холодный, умеренный и умеренно влажный +4,8С, Ш - влажный и умеренно теплый +7,2С, 1У - теплый, жаркий и очень жаркий +16,3С.
Анализ статистических материалов показал, что физико-механические свойства стоков определяются в основном условиями содержания животных на ферме (на подстилке или бесподстилочный) и способами уборки навоза (механический, самосплавный или гидросмывный) и изменяется в пределах: влажность от 76,8 до 98,3%, зольность от 14 до 22%. Объемы стоков определяются, в основном, количеством животных, одновременно содержащихся на ферме и физико-механическими свойствами навоза и изменяются в пределах от 44,42 до 468,23 м3 на фермах КРС и от 37,2 до 2580 м3 на свиноводческих фермах. [127]. На основе анализа конструкций, действующих в нашей стране, и зарубежных биогазовых установок были составлены их структурные схемы, рис.4.6. Принципиальным отличием этих схем является использование продуктов обработки навоза для производства биогаза - с отделителем посторонних включений и, тогда весь оставшийся навоз поступает на переработку в анаэробный реактор или с использованием устройства для разделения навоза на фракции - в этом случае в реакторе обрабатывается только фугат. Расчеты энергетического баланса биогазовых установок и характеристики выхода биогаза проводили на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, приведенных в главах 2 и 3 диссертации. Методика расчета энергобаланса основана на использовании уравнений 2.35 и 2.36, определяющих взаимосвязь всех факторов, влияющих на производство биогаза. Однако применительно к решению общей задачи расчета определения теплопотерь необходимо предварительно определить площадь ограждающих поверхностей метантенка F. Этот параметр находится в зависимости от количества навоза в метантенке, которое в свою очередь является функцией дозы суточной загрузки - Дз в абсолютной величине и временем обработки навоза в метантенке -т. Доза суточной загрузки принимается равной ежедневному выходу навоза с фермы. Исходя из этого, получены следующие формулы для определения F. F = 6 [ Д, (1 +Р) х ] 67 (4.4) для метантенка в форме куба, F= к/2 [4 (1 + р) х / тс(1 + т)]0,67 +тс(1 + т)[4Д3 (1 + Р)х/ я (1 + т)] 67(4.5) для метантенка в форме цилиндра. где m - соотношение высоты метантенка к его диаметру m = 0,8 bm = 4 соответственно для вертикально и горизонтально расположенньгх метантенков. Известно, что наибольшее распространение в нашей стране получили фермы по производству молока и мяса на 400 условных голов с ежесуточным выходом навоза 44-50 м3. Поэтому задачу оценки энергетического баланса решаем применительно к установкам производительностью 50 м3/сутки по обработке навоза с содержанием органических веществ от 2 до 10%.
