Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы. цели и задачи исследования 10
1.1. Казахстан 10
1.2.Показатели использования альтернативных источников энергии. Применение альтернативной энергетики на транспорте 16
1.3. Биогаз 22
1.3.1. Метантенк 25
1.4. Особенности методик расчета процессов в мобильной биогазовой установке 26
1.4.1. Расчет биогазовой станции 26
1.4.2. Методики расчета теплопотерь 26
1.4.3. Сушка биоудобрений 27
1.4.3.1 Подбор и расчет сушилки 30
Глава 2. Особенности технологического цикла мобильной установки и разработка методик расчета основных процессов, гоотекающих в ней 31
2.1. Методика расчета мобильной установки по переработке отходов 31
2.2. Методики расчета тепловых потерь для мобильного метантенка 39
2.3. Методика расчета системы сушки биоудобрений 43
2.3.1. Многокорпусная выпарная установка 46
2.3.2. Вальцовая сушилка 56
2.4. Очистка биогаза 58
Выводы по главе 2 66
Глава 3. Модель биогазовой установки на железнодорожном ходу и её технологический цикл 67
3.1. Система хранения и подготовки к анаэробному сбраживанию биологически пригодного сырья 67
3.2. Метантенк 69
3.3 Складирование жидких биоудобрений, расширительный бак 72
3.4 Сушка биоудобрений 74
3.5. Склад высушенных биоудобрений 75
3.6. Система очистки биогаза 77
3.7. Газгольдер 79
3.8. Компоновка вагонов мобильного комплекса 80
Выводы по главе 3 82
Глава 4. Экспериментальные исследования и экономическое обоснование 83
4.1. Проведение экспериментальных исследований анаэробного сбраживания травы 83
4.1.1. Проведение эксперимента в Германии, биогазовая станция в городе Schmiechen 83
4.1.2. Проведение эксперимента в Казахстане, лабораторные исследования з в городе Алматы
4.2. Исследования тепловых потерь и изоляции метантенка 98
4.3. Исследования процесса сушки биоудобрений 105
4.4. Экономическая оценка эффективности создания завода 109
Выводы по главе 4 114
Заключение 116
Библиографический список
- Особенности методик расчета процессов в мобильной биогазовой установке
- Методика расчета системы сушки биоудобрений
- Складирование жидких биоудобрений, расширительный бак
- Проведение эксперимента в Казахстане, лабораторные исследования з в городе Алматы
Особенности методик расчета процессов в мобильной биогазовой установке
Неотъемлемой частью внедрения биогазовой энергетики, является применение ее на транспорте. Австрийская компания OMV производит биодизельное топливо из твердой биомассы [64]. Аргентина так же активно развивает производство этого вида топлива. В 2010 году было произведено более 1 млн. тонн топлива [65].
В 2011 году компания Lufthansa начала испытания биотоплива на самолетах Airbus А321, осуществляющих регулярные рейсы по маршруту Гамбург-Франкфурт [68]. Компания Airbus с 2009 проводит испытания биокерасина. Синтетическое топливо не только экологически чистое, но и имеет себестоимость ниже, чем у керосина. Использование такого топлива не потребует замены двигателей. Специалисты компании Boing утверждают, что уже к 2015 году 1% от всего объема авиатоплива в мире будет составлять биотопливо [69].
В 2005 году в Швеции компанией Svensk Biogas был запущен поезд на биогазе. Он развивает скорость до 130 км/ч. Одной заправки хватает на 600 км пути. В 2007 году в Англии компания Virgin Trains отправила в первый рейс поезд на экологичном биодизельном топливе [78, 80, 81]. Биогаз возникает при ферментации органических веществ, таких как навозная жижа, навоз, жидкое навозное удобрение, растения, пищевые отходы. Он возникает в природе повсюду, где нет доступа кислорода: в болотах и топях, а также в пищеварительном тракте при пережевывании. В ферментерах и в гнилостных башнях в результате анаэробной ферментации (анаэробный = без кислорода) образуется биогаз.
Если органический материал складируется без доступа воздуха (анаэробно), то при воздействии связывающих метан бактерий (кокки, палочки, спирали, спирохеты, микоплазмы и нитевые бактерии) начинается биологический процесс, при котором образуется газ. Это и есть биогаз [50, 71].
Полученный биогаз можно использовать как сразу, так и после обогащения его до природного газа. С помощью специальных установок газ очищается от примесей и на выходе получается природный газ. Полученный газ можно использовать во всех сферах деятельности человека. На транспорте биогаз имеет большие перспективы.
Для железной дороги возможно использования его как топливо для автономных локомотивов, для отопления вагонов, в стационарных котельных. Классификация биогазовых установок показана на рис. 1.12.
Стационарные биогазовые установки достаточно распространены в мире. Некоторые из них вырабатывают газ в таких объемах, что избытки его, после использования необходимого количества для выработки тепловой и электрической энергии на собственные нужды и нужды подключенных потребителей, поступают в центральные газопроводы. В газопроводы газ поступает после очистки, обогащения до природного газа.
Недостатки стационарных биогазовых установок, такие как: локальное использование; невозможность перемещения на новое место; дороговизна строительства и монтажа; невозможность переменной газификации отдаленных потребителей; большие затраты на сооружение сетей коммуникации (газовая станция - потребитель). Сравнить стационарную станцию и мобильную можно только тогда, когда имеется проект мобильного завода. Общий принцип работы мобильного комплекса не отличается от стационарного. Но существуют принципиальные отличия, такие как ограниченность пространства для размещения основного оборудования станции для переработки отходов, наличие системы сушки биоудобрений. Система сушки вводится для упрощения складирования и хранения биоудобрений. Она позволит применять для хранения простые вагоны для перевозки сыпучих грузов, а не специальные цистерны.
Комплекс должен представлять собой полностью или частично автономный комплекс. При частичной автономности передвижение мобильной биогазовой станции осуществляется за счет привлечения дополнительных мощностей в виде тягачей, локомотивов поездов и других машин, способных выступать в роли тяговой силы. При полностью автономной схеме работы установки, тепловой двигатель локомотива работает на биогазе.
Мобильная биогазовая установка включает в себя: питатель, систему подачи сырья в метантенк, метантенк, газгольдер, систему транспортировки газа, систему очистки газа, систему сушки биоудобрений, систему транспортировки и складирования биоудобрений, систему производства тепловой и электрической энергии. Так же возможна работа установки без процесса сушки биоудобрений. В этом случае понадобится большее количество цистерн для складирования перебродившего остатка.
Благодаря мобильному комплексу можно собирать и утилизировать отходы из любой точки, где образуется их накопление. Регулярное и не регулярное. Главным условием утилизации является приближенность к железнодорожным станциям или местам железнодорожного пути, где разрешена остановка и стоянка составов.
После загрузки сырья в метантенк состав может продолжать движение по назначенному маршруту, так как движение не отразится негативно на процессе выработки биогаза. А наоборот будет способствовать перемешиванию бродящей массы. Эта особенность позволит перемещать состав по точкам сбора отходов непрерывно.
Методика расчета системы сушки биоудобрений
Коэффициент температуропроводности является зависимостью от теплоемкости, теплопроводности и плотности. По этому он начинает резко возрастать при достижении концентрации 64% до своих максимальных значений, затем немного снижается и дальнейший процесс происходит с незначительными скачками значения коэффициента.
Применение выпарной технологии при высоком влагосодержании смеси является наиболее рациональным. Для повышения эффективности применяется трехкорпусная вакуум-выпарная установка. Первый корпус обогревается паром, вырабатываемым в калорифере за счет отходящих выхлопных газов двигателя локомотива с t = 350-400C. Возможность использования проверена показателями параметрами сушильных аппаратов и дизельного локомотивного двигателя мощностью 2000 л.с. (приложение 1). Для подогрева второго корпуса в качестве греющего теплоносителя используется пар, образовавшийся при кипении раствора в первом корпусе, частично выпаренный раствор так же подается во второй корпус. Аналогично упаренный раствор из второго корпуса направляется в третий корпус, а в качестве греющего пара выступает выпаренная во втором корпусе влага. В третьем корпусе раствор упаривается до заданной концентрации и поступает на досушку. В процессе перехода из корпуса в корпус температура и давление понижаются, и из последнего корпуса, при помощи вакуум-насоса подается для дальнейшего использования в вальцовой сушилке. Раствор и вторичный пар перемещаются из корпуса в корпус самотеком благодаря общему перепаду давления, возникающего в результате избыточного давления в первом корпусе и вакуума в последнем. Данные процессы являются частными случаями общих уравнений сушки. Для их решения требуются тепло физические параметры, полученные в процессе исследований.
Температура кипения tKHn j раствора в данном корпусе вычисляется как сумма температур греющего пара последующего корпуса и депрессий [37], значения представлены в таблице 2.3.
Температурные потери определяются по нормативным документам и экспериментальным данным. Гидродинамическая депрессия связана с потерей давления пара на преодоление местных сопротивлений и сопротивления трения при проходе из корпуса в корпус. Принимается Лг = 1QC, тогда температуры вторичных паров по корпусам равны:
Гидростатическая депрессия возникает из-за гидростатического эффекта, вследствие гидростатического давления столба жидкости в трубах выпарного аппарата температура кипения раствора по высоте труб неодинакова. Расчет Л гс возможен на основе определения температуры кипения в среднем поперечном сечении кипятильных труб. Определяется как разность температуры кипения в среднем слое труб и температуры вторичного пара. Arc = tcp + tBn, (2.36) Для определения tcp нужно вычислить давление в среднем слое и определить температуру среднего слоя (по таблице свойств насыщенного водяного пара). Плотность парожидкостной эмульсии в трубах при пузырьковом режиме кипения принимается равной половине плотности раствора. Плотность раствора (при 100 С) определяется в зависимости от концентрации раствора в корпусе. где РрИ рв- соответственно плотности раствора конечной концентрации и воды при средней температуре кипения. Температура кипения воды принимается tKHn = 100 С, рв=987кг/м3. Нтр- рабочая высота труб, принимается Нтр = 1м. После вычисления давлений составлена таблица 2.6 соответствия температур кипения и теплоты парообразования при данных давлениях. Таблица 2.6 Параметры раствора по корпусам при температуре кипения где Д п- значение депрессии для раствора, в зависимости от концентрации, Кп-функция температуры и теплоты парообразования зависит от давления и температуры кипения чистой воды, принимается, согласно нормативным данным. Таблица 2.8 Температурные депрессии
При проверке полезной разности температур расхождение равно 1,03 С, это допустимо для системы выпаривания сложносоставного раствора [7, 33, 34, 35, 47]. Для определения тепловых нагрузок выпарной системы необходимо решить уравнение теплового баланса аппарата: Q . = D i-i = к [Снач а (tKi_tH) + Щ гвпі], (2.42) где к - коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду по корпусам; D - расход греющего пара в первом корпусе; с - удельная теплоемкость раствора при данной влажности. Количество испаряемой влаги в каждом корпусе принято одинаковым. Для определения теплоемкости использована формула представленная П. Д. Лебедевым:
Удаление влаги из тонкого слоя влажной пасты происходит при постоянной скорости сушки и атмосферном давлении. Теплопередача в вальцовой сушилке происходит от греющего пара к внутренней поверхности барабана, через чугунную стенку барабана, толщиной 10 мм, поперек слоя высушиваемого материала и от наружной поверхности слоя материала к воздуху, причем на последнем этапе, перенос теплоты осуществляется парами удаляемой из материала влаги [3, 41, 59]. Скорость воздуха v =1,7 м/с, температура и относительная влажность, соответственно t0 = 40 С и ф0 = 40%.
Складирование жидких биоудобрений, расширительный бак
Благодаря системе сушки, биоудобрения представляют собой сыпучие гранулы, не требующие специальных условий хранения. По этому для складирования сухих удобрений применяются стандартные 4-осные крытые вагоны-хопперы модели 19-3116-04 для минеральных удобрений, показанные на рис. 3.5. Но для обеспечения правильной и бесперебойной работы всего состава, они претерпевают небольшую модернизацию. Так как процесс загрузки будет происходить в движении и постоянно, сверху монтируется система бесперебойной подачи высушенных биоудобрений в виде трубы, размещенной на крыше вагона. Она оборудована трехходовыми кранами с системой автоматического изменения потоков, которые по мере заполнения вагона направляют воздушную смесь, несущую высушенные гранулы в менее заполненную его часть. Разгрузка осуществляется традиционным способом, через люки, расположенные в нижней части.
На рис. 3.6 изображена комплексная система очистки биоагаза, смонтированная на железнодорожной платформе, оборудованной стенками и крышей. Газ подвергается очистке от примесей до состояния природного газа. Адсорбционные колонны продуваются воздухам или имеют системы сменных фильтров и мембран-уловителей. Желтым цветом показан газовый трубопровод, синим - воздушный. Прокачка газов осуществляется при помощи насосов. Процессы контролируются автоматикой [ПО].
Грубая очистка и осушение реализуется почти на всех биогазовых установках. Обогащение метана путем удаления двуокиси углерода и других компонентов из биогаза необходимо только, если биогаз, подается в сеть природного газа или для Рис.3.6 Система очистки биогаза использования газа в качестве топлива для двигателей. Он может быть использован как источник газоснабжения малых котельных с возможностью непосредственного подключения комплекса к системе газоснабжения, так и в качестве источника топлива для частных потребителей. Помимо предложенного способа хранения газа в цистерне, предложена закачка его в баллоны. При данной схеме его возможно использовать в аулах и деревнях без систем центрального газоснабжения. Параллельно комплекс утилизирует биологические отходы. 3.7. Газгольдер
Система хранения биогаза В мобльном биогазовом комплексе в качестве газгольдера может использоваться несколько систем: цистерна, вагон с системой закачки газа в баллоны. Цистерна, изображенна на рис. 2.9, она играет двойную роль: -накопление произведенного и очищенного газа; -расширительный бак, при использовании газа в качестве топлива для локомотива, если потребуется. Газовый трубопровод соединяется с вагоном, в котором расположено очистное оборудование с помощью гибого шланга. При использовании установки как резервное газоснабжение малых кательных газгольдер не требуется, газ напрямую подается потребителю.
На рис. 3.8 изображена схема мобильной биогазовой установки на железнодорожном ходу. В качестве локомотива используется тепловоз с дизель-генераторной установкой мощностью 2000 л.с. Сразу после локомотива идет вагон с системой сушки биоудобрений, что позволяет использовать отходящие газы локомотива в качестве греющего теплоносителя для многокорпусной выпарной установки, в теплообменниках для вторичного перегрева пара. После него - вагон-хоппер для минеральных удобрений, рассмотренный в параграфе 3.5. Третьим вагоном в составе является цистерна для жидких биоудобрений, за ней метантенк, описанный в параграфе 3.2. Следом специальный вагон для хранения и подготовки первичной биомассы для брожения. Последние два вагона отвечают за систему очистки биогаза и цистерна хранения, очищенного до природного газа, биогаза. Данная компоновка вагонов учитывает специфику работы комплекса и обеспечивает непрерывный рабочий цикл. Трубопроводы соединяются между вагонами гибкими муфтами и эластичными шлангами.
Проведение эксперимента в Казахстане, лабораторные исследования з в городе Алматы
Для оценки эффективности рассматриваются два проекта. Проект А. Создание четырех стационарных биогазовых заводов. Биогазовый завод представляет из себя бетонную конструкцию объемом 25 м , оснащенный электрическими мешалками субстрата, системой загрузки первоначального сырья. Для работы стационарной станции необходим склад сырья и транспортировка его к метантенку (объемом 25 м ). Сырье поступает в метантенк, там происходит процесс брожения, вырабатывается биогаз. перебродившая масса поступает в хранилище для биоудобрений, затем на сушку. Выработанный газ охлаждается, попадает в газгольдер, потом проходит очистку и подается в двигатель для сгорания. Тепло и электроэнергия, выработанные в двигателе используются на подогрев субстрата в метантенке и сушильной установке, а так же для двигателей мешалок, насосов и прочего электрооборудования. Часть электроэнергии берется из контактной сети. Обслуживают завод 2 человека.
Проект Б. Создание мобильного биогазового завода. Биогазовый завод представляет собой ряд специальных вагонов. Сырье загружается в вагон-склад, в котором происходит первоначальная подготовка к брожению (измельчение и разжижение). Затем подается в мобильные метантенк, представляющий собой цистерну специальной конструкции объемом 100 м . Перемешивание субстрата осуществляется за счет отбора части выработанного биогаза и подачу его в нижнюю часть метантенка. Электрический только шнек несбраживаемого осадка. Затем перебродивший субстрат подается в цистерну-расширительный бак, после на сушку, после сушки с вагон-хоппер. Сушка представляет из себя 2 системы: выпарная установка и вальцовая сушилка. Выпарная установка работает на выхлопных газах локомотива, а вальцовая сушилка за счет пара, образующегося в выпарной установке. Выработанный газ проходит систему очистки и подается в цистерну-газгольдер. После очищенный газ используется для замещения части дизельного топлива для локомотива. Летом 1.5% расхода топлива, зимой 4.4%. Основные показатели по проектам приведены в таблице 4.10.
В табл. 4.11 и 4.12 приведены результаты расчета финансовых профилей по проектам А и Б. Чистый приведенный доход на 6 год реализации проектов составит для проекта А 3,18 тыс. руб., а для проекта Б составит 5,07 тыс. руб.
Внутренняя норма рентабельности по проектам А и Б соответственно составит 25,14% и 25,22%. Принятая норма дисконта при расчете финансового профиля проектов (Таблица 4.11 и Таблица 4.12) принята 25%.
По показателю внутренняя норма рентабельности проекту А и Б эффективны; Целесообразно реализовать проект Б, т.к. внутренняя норма рентабельности по этому проекту больше, чем по проекту А.
По показателю срока окупаемости инвестиций с учетом дисконтирования проекты А и Б окупаются менее чем за 6 лет. Целесообразно реализовать проект Б, т.к. срока окупаемости инвестиций с учетом дисконтирования по этому проекту меньше, чем по проекту А.
По показателю индекс доходности проекты А и Б на 6 год реализации почти равны единице, что связано со окупаются проектов. По проекту Б показатель индекс доходности выше, чем по проекту Б, следовательно его целесообразно реализовать.
В данной работе разработано и новое перспективное направление использования биогазовых технологий, а именно мобильная биогазовая установка на железнодорожном ходу. При теоретическом и экспериментальном исследовании данного вопроса получены следующие практические и научные результаты:
Разработана методика расчета тепловых потерь мобильного метантенка при движении поезда с учетом особенностей процессов, протекающих в биореакторе, и климатических условий Казахстана.
Экспериментальным путем изучен процесс получения биогаза в лабораторных и производственных условиях. Полученные численные данные не расходятся с рассчитанными и принятыми теоретически более чем на 8%.
На лабораторной установке проверена работоспособность методики расчета тепловых потерь. Полученные экспериментальным путем данные расходятся с расчетными не более чем на 3%. Это подтверждает правильность теоретических предположений. Исследованы различные виды теплооизиляции.
Исследован процесс сушки биоудобрений и получены значения теплоемкости, теплопроводности и плотности материала для возможности реализации расчета процесса сушки.
Для повышения коэффициента полезного действия всего поезда, а особенно процесса удаления влаги, в качестве греющего агента калорифера выработки пара для выпарной установки применяются отходящие газы двигателя локомотива, а выпаренная влага в МВУ подается в вальцовую сушилку для прогрева вальцов. Таким образом, процесс получается замкнутым и максимально эффективным.