Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Использование альтернативных источников энергии в сельскохозяйственном производстве 15
1.1 Анаэробная переработка навоза в биогаз и биоудобрения 15
1.2 Эволюция альтернативных источников энергии 16
1.3 Опыт использования альтернативных энергоносителей в двигателе внутреннего сгорания 19
1.4 Газообразное топлива как альтернатива жидким
моторным топливам 34
1.5 Обоснование сжигания низкокалорийных топлив в ДВС 38
1.6 Особенности реализации технологии сжигания биогаза в ДВС 39
1.7 Выработка и потребление тепло- и электроэнергии в сельском хозяйстве 43
1.8 Выводы 51
ГЛАВА II. Теоретические основы производства и использования биогаза как моторного топлива в двигателях внутреннего сгорания 52
2.1 Технология производства биогаза 52
2.1.1 Процесс получения биогаза 52
2.1.2 Биогазовые установки „59
2.2 Математическая модель работы биогазовой установки 63
2.2.1 Обоснование параметров функционирования биореактора 63
2.2.2 Тепловой расчет биоустановки 64
2.3 Теоретические аспекты работы двигателя на биогазе 66
2.3.1 Физико-химические свойства топлива 67
2.3.2 Процессы в цилиндре 70
2.3.3 Граничные условия 75
2.3.3.1 Тепловые граничные условия 75
2.3.3.2 Газодинамические граничные условия 76
2.4 Эксплуатационные показатели работы двигателя 77
2.4.1 Показатели качества газообмена 77
2.4.2 Показатели эффективности двигателя 78
2.4.3 Характеристики теплообмена 80
2.4.4 Показатели теплонапряженности деталей двигателя 81
2.5 Выводы 82
ГЛАВА III. Перевод двигателя внутреннего сгорания с дизельного топлива на биогаз. использования вторичных энергетических ресурсов (вэр) двигателя для повышения эффективности работы биоустановки 83
3.1 Методика перевода теплоэнергетических средств на газ 83
3.1.1 Технологический процесс переоборудования автотракторных двигателей на газ 85
3.1.2 Конструктивные изменения, применяемые при переводе двигателя Д-240 на Г-240 85
3.1.3 Методика расчета работы двигателя Г-240 на биогазе 86
3.1.4 Сравнение двигателя Г-240 с Г-243 88
3.2 Методика утилизации теплоты вторичных энергетических ресурсов ДВС 92
3.2.1 Обоснование методики для разработки системы подогрева навоза 92
3.2.2 Использования теплоты охлаждающей жидкости ДВС 95
3.2.3 Использования теплоты отработавших газов двигателя 100
3.2.4 Теплообмен в биореакторе 104
3.2.5 Гидравлический расчет системы подогрева навоза 107
3.3 Математическая модель и расчетные характеристики системы утилизации теплоты сгорания биогаза 109
3.4 Программа расчета и работа биоустановки в непрерывном режиме 113
3.5 Выводы 122
ГЛАВА IV. Экономическая оценка эффективности при менения биогаза как моторного топлива в сельском хозяйстве 123
4.1 Оценка социально-экологических параметров биогазовой установки 123
4.2 Математическая модель экономической эффективности биогазовой установки 124
4.3 Выводы 131
Общие выводы 132
Список использованной литературы 134
Приложения 149
- Анаэробная переработка навоза в биогаз и биоудобрения
- Технология производства биогаза
- Методика перевода теплоэнергетических средств на газ
- Оценка социально-экологических параметров биогазовой установки
Введение к работе
Анаэробное сбраживание является наиболее распространенным способом получения биогаза. Биогаз - древнейший источник энергии, применение которого датируется до X века до нашей эры (в Ассирии) и до XVI века (в Персии). Уже в XVII веке Jan Baptita Helmont - первым предположил, что го-
ф рючий газ выделялся из гниющей биомассы. В 1776 году Count Alessandro
Volta установил прямую корреляцию между объемом гниющей биомассы и количеством выделившего горючего газа. В 1808г, Английский ученый Sir Humphry Davy (1778-1829) доказал, что метан содержится в газе, выделившего в процессе анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота. Однако он не уделял особого внимания метану, так как его интересовала переработка навоза [163].
Первая, в Мире, биогазовая установка была построена в колонии для прокаженных города «Матинга», недалеко от Бомбея, Индии в 1859г [133]. Биогазовая установка появилась в Англии в 1895г где, полученный при ана-
* эробном брожении муниципальных стоков биогаз, был использован для осве-
щения улиц города "Exeter" [131]. Построение очистительного сооружения, впервые, утверждало практическое и коммерческое значения биогазовых установок.
В настоящее время получение биогаза связано, прежде всего с перера
боткой и утилизацией отходов животноводства, птицеводства, растениеводст
ва, пищевой, спиртовой промышленности, коммунально-бытовых стоков и
^ осадков. Проблемами разработки биогазовых технологий, созданием обору-
дования, установок и станций занимаются несколько организаций России: Мосводоканал, Академия коммунального хозяйства, ВИЭСХ, ЦВНИИКОМЖ, и вновь созданные фирмы: АО Центр "ЭкоРос", АО "Октябрьская птицефабрика", АО "Грин-Вельт", АО "Лесса", АО "ЭкоБио", АО "Стройиндустрия"
(Республика Чувашия), АО "Заволжский авторемонтный завод" (Нижегородская область), АО "Стройтехника - Тульский завод" [64, 69].
В настоящее время основная доля энергии, применяемой в сельском хозяйстве, производится за счет сжигания или переработки природного органно-содержащего сырья - угля, нефти, газа, горючих сланцев, торфа, а также использования энергии рек путем построения гидроэлектростанций (ГЭС). Современные способы производства и использования энергии (в промышленности, коммунально-бытовом, сельском хозяйстве, на транспорте и прочих), в большой или меньшей степени, связаны с определенными отрицательными воздействиями на окружающую среду.
Сгорание топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) является источником загрязнения окружающей среды. Ежегодно, во всем мире, выбрасывается 60 млн.т. СОг автомобильным транспортом и промышленностью. Только в соединенных штатах Америки (США) выделяется 3 млн. т. SO2 в год, при чем мировой объем выбросов S02 составляет около 60 млн. т. [19].
Остается фактом, что человечество должно рассмотреть вопросы эффективности применения топлив с целью разработки рационального их использования. Некоторые автомобильные и траю-орные заводы уже перерассматривают свои производственные циклы с целью повышения КПД и снижения количества вредных выбросов в отработавших газах (ОГ). Например, в настоящее время применяют электронное зажигание, гибридные автомобили, улучшили впрыск топлива и разработали совершенные ДВС. Немало важную роль, в этом направлении, играют разработка и применение альтернативных топлив в энергетических средствах сельскохозяйственного назначения. Среды перспективных альтернативных топлив, применяемых в двигателях, рассматриваются биотоплива, электроэнергия, этанол, метанол и их эфиры, водород, природный газ (CNG, LNG и LPG) и реформированные нефтяные топлива. Сведение об использовании этих альтернативных топлив дано некоторыми
исследователями [40, 55, 84]. Современные разработки включают двигатели, работающие на водороде преимуществом которых является выброс воды в месте отработавших газах [54].
Особо перспективным альтернативным топливом является биогаз, индустрия которого появилась за короткий промежуток времени во многих странах мира. Если в 1980-х годах в мире насчитывалось около 8 млн. установок для получения биогаза суммарной мощностью 1,7-2 млрд. м3 в год, то в настоящее время данные показатели соответствуют производительности только одной страны - Китая.
Пионером в коммерческом использовании биогазовых заводов для получения биогаза является Дания. Суммарная годовая энергетическая мощность производителей биогаза Дании, получаемого из всех источников, в настоящее время составляет до 4 . 1015 Дж, а к 2005г планируется дальнейшее увеличение до 6.10 Дж. В Дании эксплуатируется 18 биогазовых заводов, способных ежегодно обрабатывать 1,2 млн.т. биомассы (75% отходов животноводства и 25% - других органических отходов), давая до 45 млн. м3 биогаза, что эквивалентно 24 млн. м3 природного газа.
В США работает более десяти крупных биогазовых заводов, один из которых подает вырабатываемый биогаз в газораспределительную сеть Чикаго. В США получили широкое распространение установки для использования отходов на небольших скотоводческих фермах с поголовьем до 150 единиц крупного рогатого скота.
В фермерских хозяйствах Европы и Канады распространены установки производительностью до 100 - 200 м биогаза, что обеспечивает хозяйство тепловой энергией летом на 100%, а зимой - 30-50%. Большое количество биогаза производится также и при переработке твердых бытовых отходов городов: в США - 9 . 10t5 Дж., Германии - 14 . 10м Дж., Японии - 6 . 1015 Дж а в Швеции-5. 10|5Дж.
В Китае эксплуатируется более 5 млн. семейных биогазовых реакторов, ежегодно производящих 1,3 млн. м3 биогаза, что обеспечивает газом для бытовых нужд свыше 35 млн. человек. Действует 24 000 биогазовых очистительных сооружений для обработки отходов городов; работает около 190 биогазовых электростанций с ежегодным производством 3.10 Вт.ч. Биогазовая продукция Китая оценивается в 33 . 1015 Дж [57].
В Индии действует около 5-6 тыс. установок, дающих от 2 до 400 м биогаза в сутки. Национальная программа Индии по развитию биогазовых технологий включает в себя обеспечение чистой энергии для отопления и приготовления пищи, получение органических удобрений и повышение эффективности сельскохозяйственного производства.
В странах Африки, биогаз применяется для выработки электроэнергии и теплоты для приготовления пищи. Целью использования биогаза в энергетике являются предотвращение запустения, защиты лесных ресурсов и получение нефтезависимости [88, 94].
В России до сих пор к биогазу относились как к экзотическому топливу, и об его промышленном использовании задумываются скептически. В настоящее время, переход к рынку, окончание эры дешевой нефти и обострение глобальных экологических проблем заставляют пересмотреть отношение к биогазу, по крайней мере, в сельском хозяйстве. На сегодняшний день, разработано и применяется достаточно большое количество технологии получения биогаза, основанного на использовании различных вариаций температурного режима, влажности, концентрации бактериальной массы, длительности протекания биореакции и.т.д. При этом содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химического состава сырья и может составлять 50 - 90% [20].
По своему химическому составу, биогаз напоминает природный газ и может быть применен в автотракторных двигателях внутреннего сгорания. По данным Шведских и Швейцарских ученых, биогаз может использоваться в ДВС, так как по экологическим характеристикам биогаз на 75% чище ди-
зельного топлива и на 50% чище бензина. Токсичность биогаза для человека на 60% ниже традиционного топлива. Продукты его сгорания практически не содержат канцерогенных веществ. Влияние отработавших газов двигателей, работающих на биогазе, на разрушение озонового слоя на 60 — 80% ниже, чем у нефтяных видов топлива [53].
Согласно термодинамическим показателям, ДВС обеспечивает превращение в полезную работу не более 45...46% термодинамической энергии топлива. Остальная теплота, выделившаяся при сгорании топлива, теряется либо с поверхности охлаждения, либо с уходящими из него отработавшими газами (ОГ)' Проведенный анализ показывает, что при сгорании биогаза как моторного топлива, значительная часть потерь приходится на отработавшие газы и охлаждающую жидкость. В дизелях они составляют 85...110% по отношению к эффективной мощности, а в двигателях с принудительным воспламенением топлива превосходит ее на 25...45% [31].
Большие потери энергии, которыми сопровождается работа двигателей внутреннего сгорания, а также расход энергии биогаза на поддержание режима анаэробного сбраживания свидетельствуют о значительных резервах повышения показателей эффективности в случае утилизации этой энергии. Такое техническое решение позволит получать дополнительную работу без потребления дополнительного топлива.
Существует ряд технических систем, которые могут быть использованы для утилизации теплоты ДВС. Анализ этих систем, проведенный в настоящей работе, показывает перспективность применения рекуперативных теплообменников для утилизации теплоты охлаждающей жидкости (ОЖ) и отработавших газов (ОГ). Разработка и применение систем утилизации ОГ ДВС проводились некоторыми исследователями [45, 47, 46, 52, 81]. Однако среди выполненных исследований нет работ, посвященных вопросам по применению теплоты отработавших газов ДВС в системе анаэробного брожения навоза.
Актуальность темы. Интенсификация животноводства создает проблему обработки и использования отходов и требует соответствующих решений по утилизации отходов, энергосбережению и сохранению экологического равновесия в природе. В крупных животноводческих фермах изменились количество и состав получаемых жидких отходов, из-за отказа от применения соломенной подстилки и использования большого количества воды для уборки помещений. Животноводческие отходы имеют высокую биологическую активность и содержат значительное количество микроорганизмов и семян сорняков. Для переработки и обеззараживания животноводческих стоков наиболее распространение получают биоустановки. Биоустановки обеспечивают переработку навоза с последующим получением экологически чистого биоудобрения высокого качества и биогаза, являющегося альтернативным источником энергии, который может быть использован для внутрихозяйственных нужд.
В настоящее время отмечается низкая эффективность эксплуатации биоустановок в сельском хозяйстве. Для обеспечения оптимальных условий анаэробного сбраживания и активного выделения биогаза необходимо постоянно снабжать биоустановки тепловой энергией, соответствующей 30...35% энергии получаемого биогаза. Это обеспечивается путем сжигания биогаза непосредственно в котле, который входит в комплект биоустановки.
В связи с этим повышение эффективности использования биоустановки в животноводческой ферме путем использования биогаза в ДВС и утилизации вторичного тепла для анаэробной работы биоустановки является актуальной научной задачей.
Повышения эффективности работы биоустановки, в настоящей диссертации, добывается путем применения технико-энергетических (вторичных энергетических ресурсов ДВС для нагрева навоза) и эколого-экономических (предотвращения ущербов окружающей среде за счет анаэробного сбраживания навоза) приемов.
Объектами исследования являются техническая система (биоустановка) и утилизационная система, включающая рекуперативные теплообменники для утилизации теплоты охлаждающей жидкости и отработавших газов, и конвертированный на газ двигатель Г-240.
Предметом исследования служили эксплуатационные показатели биоустановки и системы утилизации тепла, в частности выхода биогаза и тепловой баланс упомянутых систем.
Нормативно-правовую основу диссертационных исследований составили постановления Правительства города Москвы и РФ, инструкции и методические положения мировых организаций, в том числе и ООН, по защите окружающей среды, а также европейские стандарты.
Цели и задачи исследования: Целью научной работы является разработка методов повышения эффективности работы биоустановки за счет утилизации теплоты вторичных энергетических ресурсов ДВС. Для достижения поставленной цели было необходимо решать следующие задачи:
Изучить особенность и определить эксплуатационные показатели работы ДВС на биогазе;
Оценить целесообразность использования теплоты продуктов сгорания биогаза для обеспечения потребности биоустановки в тепловой энергии;
Разработать систему утилизации вторичных энергетических ресурсов двигателя внутреннего сгорания в составе биоустановки;
Определить экономическую эффективность разработанных методов применения биоустановки в хозяйстве АПК.
Методика исследования базировалась на использовании положений метода кибернетического подхода и компьютерной обработки данных. Работа носит теоретико-экспериментальный характер. В опытах были использованы материалы и средства опытной станции "АО Центр ЭкоРос" для получения биогаза и конвертированный (НАТИ) на газ двигатель Г-240.
Выводы и рекомендации сформулированы на основе результатов аналитических и экспериментальных исследований биогазовой установки и системы утилизации вторичной теплоты двигателя состоящей из конвертированного на газ двигателя Г-240, теплообменников и трубопроводов.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях, вносимых автором на защиту:
Методика утилизации вторичных энергетических ресурсов двигателя внутреннего сгорания для удовлетворения собственных нужд биоустановки;
Математическая модель утилизации вторичных энергетических ресурсов двигателей внутреннего сгорания;
Математическая модель экономической эффективности биогазовой установки.
Практическую значимость исследования составляют:
Конструктивно-технологическая схема и методика расчета теплового баланса биореактора.
Методика расчета процессов работы ДВС, работающих на биогазе.
Технологическая схема системы утилизации вторичных энергетических ресурсов ДВС для обеспечения биоустановок теплотой, необходимой для анаэробного сбраживания навоза.
Экологическая оценка эксплуатации биоустановки в сельском хозяйстве.
Представленные в диссертации материалы могут найти применение в научно-исследовательских, проектно-конструкторских организациях и также на заводах, занимающихся созданием биоустановок или теплообменных аппаратов сельскохозяйственного назначения, а также в сельскохозяйственном производстве.
Апробация работы: Основные положения и результаты диссертацион
ной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научно-
практических конференциях кафедры Механизации растениеводства РГАУ-
МСХА имени К.А. Тимирязева с 2003 - 2006 г, и на заседании кафедры Меха
низации растениеводства РГАУ-МСХА с участием профессорско-
преподавательского состава кафедр "Тракторы и автомобили", "ЭМТП" и
"Автомобильный транспорт" МГАУ имени В.П. Горячкина в 2006 г.
Публикации: По теме диссертации опубликованы 9 печатных работ, в том числе одна монография (на английском языке).
Структура и объем работы. Диссертация содержит 148 страниц машинописного текста, включая 26 рисунок, 18 таблиц и состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Список использованной литературы включает в себя 165 наименований, из них 80 на иностранном языке.
Анаэробная переработка навоза в биогаз и биоудобрения
Один из перспективных способов утилизации навоза - анаэробное сбраживание, позволяющее предотвратить загрязнение почвы, окружающий воздух и воздушный бассейн, а также получить продукты переработки навоза в виде органического удобрения и газообразного топлива - биогаза. Анаэробная переработка навоза ускоряет его разложение в 10 раз и более по сравнению с традиционным перепреванием в буртах. При этом может быть достигнута полная гибель гельминтов, болезнетворных микроорганизмов и семян сорных растений. Затраты на профилактические мероприятия по защите окружающей среды от загрязнений и предотвращению заболеваний животных снижаются на 10-15% [44].
Технология метанового сбраживания находит все более широкое применение при переработке навоза, при этом сбраживанию подвергаются навозные стоки, которые имеют высокую влажность - свыше 90%. Для сбраживания навоза влажностью менее 90%, его разбавляют водой или перебродившей жидкой фракцией. При этом увеличиваются дополнительные затраты энергии на подогрев и транспортные расходы при утилизации сброженной массы в качестве биоудобрения. Применение твердофазного сбраживания навоза требует уникального и громоздкого оборудования, значительных затрат труда и средств. Главными недостатками твердофазного сбраживания являются низкая производительность по выходу биогазу и длительная продолжительность цикла сбраживания - до 6 недель [27]. Однако, экспериментальные данные [44] утверждают, что при переработке твердого навоза с добавлением жидкой фракцией сброженного осадка, выход биогаза увеличивается на 50-80% по сравнению с технологией переработки жидкого навоза. Нужно заметить, что такой подход позволяет сэкономить воду и снижать затраты на дополнительный подогрев навоза, но выход биоудобрений - основного продукта производственного процесса, существенно уменьшается.
Технологию анаэробной переработки навоза применяют и для очистки сточных вод предприятий и городов, так как имеет ряд достоинств по сравнению с химической системой, например, биологическая очистка потребляет в 2 раза меньше энергии и в 6 раз дешевле [12, 79].
В условиях сельского хозяйства, в частности функционирования автономной энергетической установки, практический интерес представляет использование технологии переработки навоза для получения биоудобрения и биогаза — одного из альтернативных видов моторного топлива.
Развитие современной цивилизации сопровождается увеличением потребностей человечества в энергии. Удовлетворение этих потребностей производится, в основном, за счет переработки традиционного нефтяного топлива, запасы которого исчерпываются. Это явление подвергает человечеству под серьезной угрозой возникновения энергетических и экономических проблем. Вполне возможно, что даже если энергетического кризиса удастся избежать, человечество неизбежно столкнется с исчерпанием запасов традиционных энергетических ресурсов. Исходя из этого, необходимо искать такие источники энергии, которые не иссякли бы во времени.
Энергетический кризис 70-х годов положил основу поиска альтернативных источников энергии. 1973-й год привел за собой панику, вызванную Ара-бо-Израйльским конфликтом. Доставка нефти на западную Европу и соединенные штаты Америки (США) было прекращена, что взвело скачок цены на 130% [161]. Немаловажную роль в обострении энергетического кризиса играли, и вопросы зашиты окружающей среды.
В США и европейских странах, широким фронтом, занимались поиском альтернативных топлив, заменяющих традиционные виды топлива. В качестве перспективных альтернативных топлив рассматривались: солнечная, ветровая, геотермальная энергии, обработка биомассы с получением жидких (масел) и горючих газообразных веществ. В Швеции энергетический кризис вызвал экономический и политический кризис со всеми последствиями [160]. Производителям Японских автомобилей было намного выгоднее подставить свою продукцию на американском ринке благодаря низшему расходу и экономичности топлива. Анализ результатов исследований показывает, что энергетический кризис 70-х годов возродил использование альтернативных энергетических ресурсов для отопительных и промышленных процессов.
В 70-х годах сторонники движения по защите окружающей среды распространяли солнечные панели и вели кампанию за их применение и установку. Геотермальные тепловые насосы получили постепенное применение в США, и уже к 1973 году были признаны экологически чистыми энергетическими установками [142].
Энергетический кризис взывает психологический стресс, согласно теории которого, человек доводится до крайнего раздражительного состояния. Исследователи (Richard and Lazarus, 1966; Glass and Singer, 1971; Lazarus and Folkman, 1984; Evans and Cohen, 1987) доказывают, что стрессором, в среде обитания человека, является тот объект, который угрожает его жизни или здоровью. В качестве такого стрессора рассматриваются глобальное потепление, озоновая дыра, рост населения, энергетический кризис и.т.д. [106]. При проявлении стрессора человечеству предстоит выбор подходящей стратегии решения проблемы. Известны такие методы как проблемно-ориентированная стратегия, при которой человек контролирует проблему, и эмоционально-ориенторованная стратегия при которой применяются меры подавления или снижения последствий. Нужно отметить, что все перечисленные стратегии приемлемы для решения проблемы энергетического кризиса.
Технология производства биогаза
Наиболее распространенным способом получения биогаза является анаэробное сбраживание биомассы (экскрементов, навозов, отходов сельскохозяйственного производства). Анаэробное сбраживание навоза с получением биогаза осуществляется в специальных установках, основными элементами которых являются герметические емкости (рис. 4).
Технологический процесс сбраживания навоза осуществляется следующим образом. Из животноводческого помещения навоз поступает в накопительную емкость, и факельным насосом 1 его загружают в метантенк 3 (емкость для анаэробного сбраживания навоза). Биогаз из реактора поступает в газгольдер 5 и далее к потребителю, например, ДВС. Для нагрева навоза до температуры брожения и поддержания теплового режима в метантенке установлен теплообменник 4, через который протекает горячая вода, нагреваемая теплотой утилизации охлаждающей жидкости и отработавших газов двигателя 8, Сброженный навоз выгружают в навозохранилище 12.
Рассматривается возможность включение в схему (на перспективу) криогенного оборудования 7 для сжижения биогаза с последующим получением жидкого СОг. Однако, из-за высокой стоимости таких оборудований рекомендуется применение термического метода при котором вода, содержащая растворенный СО2, из газгольдера подается насосом через теплообменник 9, где регенерируется и далее подается в газгольдер.
В метантенке обеспечиваются все необходимые параметры процесса (температура, концентрация, кислотность и отсутствие кислорода). Метантенк имеет тепловую изоляцию, позволяющую обеспечивать и поддерживать на заданном уровне температурные режимы сбраживания. При присутствии атмосферного кислорода углерод биомассы превращается в углекислый газ, а при его отсутствии (или недостаточном количестве) — развиваются анаэробные бактерии, что способствует преобразованию углерода биомассы в ( и С02. В метантенке также имеется устройство для постоянного перемешивания сбраживаемой навозной массы.
Поступление навоза в метантенк регулируется так, чтобы процесс сбраживания протекал равномерно. Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных и метанобразующих бактерий превращаются в метан и углекислоту. Степень разложения органического вещества при анаэробном сбраживании навоза составляет 25...45%. Анаэробное сбраживание любого органического вещества в биогаз проходит через четыре последовательных стадии (Gujer and Zehnder, 1983) [109, 127] как указано на рисунке 5.
Центральным метаболитом, осуществляющим регуляторную функцию в метанобразующем сообществе, является водород. За счет поддержания парциального давления водорода в системе становится возможным его межвидовой перенос, меняющий метаболизм первичных анаэробов в сторону образования непосредственных предшественников метана. Если водород из системы не удаляется, то образуется летучие жирные кислоты и спирты. В табл. 6 приведены условия, необходимые для активного метанообразования.
Одним из основных условий, обеспечивающих эффективность действия анаэробных бактерий, является температура. Выделяют три характерные температуры, соответствующие определенному виду анаэробных бактерий. Бактерии этой группы действуют при температуре окружающей среды в теплый период года. Нижняя температура, при которой происходит брожение - доходит до 20С. При средних температурах, равных 30...40С (оптимальных - 32...34С), развивается зоофильная группа бактерий. Высшее значение температур составляет 45...85С - пригодное для термофильного брожения (оптимальная температура - 52...55 С). Выход навоза и помета, получаемого от животных и птиц, зависит от их возраста, рациона и способа содержания (табл. 7).
Методика перевода теплоэнергетических средств на газ
Двигатели, работающие на традиционных нефтяных топли-вах, конвертируют в газовые на специализированных центрах, предназначенных для переоборудования транспортно-энергетических средств сельскохозяйственного назначения (ТЭС). Перевод двигателя Д-240 в его газовую модификацию (Г-240), осуществляется по прилагаемой, ниже, технологической линии (рис. 8) [68].
Технологический процесс работы включает: 1) оформление акта приемки-сдачи энергетических средств на переоборудование; 2) комплектацию газовой аппаратуры; 3) демонтажные работы: снятие штатной топливной аппаратуры, подготовка двигателя к монтажу газовой системы; 4) проверку газовой аппаратуры и подготовку ее к установке на двигатель; 5) монтаж баллонов с запорной, предохранительной и контрольно-измерительной аппаратурой; 6) монтаж магистральных трубопроводов; 7) монтаж газовой аппаратуры; 8) установку систем питания газовым топливом и охлаждения двигателя; 9) испытание системы питания на герметичность; 10) оформление документации о соответствии двигателя с установленным на нем газобаллонным оборудованием требованиям по безопасной эксплуатации.
Перевод двигателя Д-240 для работы на биогазе осуществляется с целью дальнейшей его работы по газовому процессу. Из сопоставления специфических особенностей процессов работы двигателей при том или другом методе перевода вытекают изменения, которые необходимо произвести в конструкции дизеля при переводе его на работу по газовому циклу: 1. Двигатель должен быть снабжен газоподводящим трубопроводом; 2. Двигатель должен быть снабжен газосмесителем, в котором биогаз смешивается с воздухом, в определенной пропорции; 3. Двигатель должен быть снабжен системой принудительного зажигания; 4. Степень сжатия двигателя должна быть снижена в соответствии с условиями, налагаемыми на параметры цикла.
Наряду с вышеизложенными требованиями, при переводе двигателя на работу на газе необходимо внести изменения в систему регулирования. Поскольку энергоносителем, вводимым в цилиндр двигателя, является газовоздушная смесь, регулирование мощности должно происходить посредством изменения цикловой подачи биогаза. Конструктивными приемами, применяемыми при переводе двигателя Д-240, являются: 1. изменение степени сжатия двигателя за счет дефорсирования -достигается путем расточки камеры сгорания; 2. установка системы питания (рис. 9); 3. установка системы электронного зажигания; 4. установка системы регулирования и контроля с последующей заменой форсунки свечей зажигания; 5. установка свечей зажигания: в месте посадки форсунки необходимо нарезать резьбу для закрепления свечи зажигания (приложение I).
Целью настоящего исследования является проведение расчетов действи-тельных циклов четырехтактного двигателя с предварительно перемешенной смесью и принудительным ее зажиганием. Топливом рассматриваемого двигателя является биогаз. В результате расчетов определяются мощность, расход топлива, КПД и другие показатели эффективности двигателя. Модель позволяет определить ненаблюдаемые параметры термодинамических процессов двигателя, и полученная информация может использоваться, в конечном итоге, для решения оптимизационных задач применения биогаза как моторного топлива.
Программа предоставляет возможность решать следующие задачи: 1) Определить осредненный за цикл расход газов в цилиндр; 2) Определить индикаторный КПД, удельный и полный расход топлива и среднее индикаторное давление; 3) Определить механический КПД, механические потери и показатели эффективности двигателя; 5) Определить тепловые потоки и теплоотдачу в стенки деталей, образующих объем цилиндра; 6) Определить показатели напряженности двигателя при его работе на биогазе; определить количество теплоты, пригодной для дальнейшей утилизации на другие хозяйственные нужды.
Расчет рабочего процесса был приведен по программе "SUPER CALC" в НАТИ и с помощью пакета MS EXCEL (автором), результаты которого представлены. Для проверки достоверности программы, были проведены расчеты рабочего цикла двигателя Г-243, работающего на природном газе (ПГ), и результаты были сравнены с экспериментальными. Целью настоящего исследования являлось определение пригодности использования разработанной программы при исследовании двигателя Г-240. Сравнение расчетных данных и экспериментальных (двигатель Г-243) в виде скоростных характеристик представляется на графике (рис. 10).
Конвертированный на газ двигатель Г-243, работающий на природном газе, представляет собой серийную модификацию для сравнения эффективности работы двигателя Г-240. Испытание проводилось в НАТИ при степени сжатия 9,5 и коэффициенте избытка воздуха 1,1 [67]. Рассматриваемый двигатель Г-243 работает при степени сжатия равной 9,5 и коэффициенте избытка воздуха примерно равном 1,0. Из рисунка видно, что при номинальной частоте вращения 2200 мин расчетная номинальная мощность двигателя составляет 51,65 кВт, что на 4,4% меньше чем действительной мощности.
Оценка социально-экологических параметров биогазовой установки
Технологии энергетического использования биогаза имеют также и важный социальный аспект, поскольку обладает значительным потенциалом для создания новых рабочих мест. Анализ научной деятельности стран ЕС показывает, что развитие технологии использования биомассы может создать около 800 тысяч новых рабочих мест. Для производства, сборки и переработки биомассы на выработки электроэнергии требуется в три раза больше людей, чем при добыче угля и выработке из него электроэнергии. Считается, что 1 МВтт установленной мощности создает 1 рабочее место. Исходя из этого, реализация проектируемой в данной работе установки, позволит вырабатывать 6856 кВтт.ч тепловой энергии в год, что соответствует созданию около 7 новых рабочих мест. Это положительно скажется на благополучии и экологическом развитии общества
Согласно Киотскому протоколу, подписанному в 1997 г., промышленно развитые страны должны к 2008-2010 гг. снижать эмиссию парниковых газов в среднем на 5,2% по сравнению с 1990 г. Например страны ЕС должны снизить выбросы парниковых газов на 8%, США - 7% и Япония - 6% [118].
Получение биогаза (из биомассы) как топлива вносит существенный вклад в снижение парникового эффекта, так как биомасса является СОг -нейтральной, при сжигании которой выделяется такое же количество С02, которое было поглощено в процессе ее выращивания [60, 85].
При сжигании угля выбросы парниковых газов (С02, CHj, N20) в расчете на ССЬ-эквивалент составляет 200 т/ТДж полезной энергии. Этот показа тель для древесной щепы составляет около 10 т/ТДж полезной энергии. Нужно отметить, что при сжигании биогаза этот показатель будет значительно меньше, так как СН4 является основным горючим компонентом рассматриваемого моторного топлива [6].
Технология получения биогаза может быть применена в сельском хозяйстве как средство переработки и обеззараживания жидкого навоза, так и для получения моторного топлива - биогаза. В связи с этим, эффективность применения биогаза как моторного топлива в сельском хозяйстве определяется комплексом факторов, таких как: а) Технология получения биогаза; б) Эффективность использования биогаза как заменителя жидкого (дизельного) топлива; в) Эффективность утилизации побочных продуктов, получаемых при сбраживании навоза.
Эффективность биогазовых установок зависит от природно-климатических условий эксплуатации; вида, состава и состояния исходного субстрата; и также от технологических и технических параметров установок и режима их работы. Цена моторного топлива, заменяемого биогазом значительно влияет на эффективность применения биогаза в сельском хозяйстве. Чем выше цена топлива, с которым ведется сравнение, тем более эффективной будет биогазовая установка. Конвертация базисного двигателя на газовый двигатель, предназначенный для работы на биогазе, может существенно повлиять на эффективность применения биогаза как моторного топлива. Если учитывать эффект дезодорации и использования получаемого биоудобрения наряду с эффектом от утилизации ВЭР двигателя, работающего на биогазе для собственных и прочих нужд биогазовой установки, то эффективность применения биогаза в сельском хозяйстве будет значительной.
Из вышеизложенного следует, для объективной оценки эффективности применения биогаза в сельскохозяйственной практике необходимо учитывать все прямые и косвенные преимущества, которые дает технология получения и утилизации биогаза. Исходя из этого, экономическая эффективность применения биогаза в сельском хозяйстве определяется по стандартной методике, основанной на сравнении альтернативных вариантов получения и использования биогаза. Переделка дизеля на газовый двигатель продлевает его срок службы, что в свою очередь положительно сказывается на эффективности системы.
Критерий оценки эффективности функционирования биоустановки можно представить в виде модели годового экономического эффекта, определяющийся на базе зависимости [71]:
