Введение к работе
Актуальность работы. Быстрорастущие экологические проблемы и дефицит традиционных топливно-энергетических ресурсов делают актуальным использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (ВИЭ). С другой стороны, изменение структуры сельскохозяйственного производства в связи с переходом на рыночные условия обусловило увеличение количества мелких крестьянских хозяйств. При решении вопросов энергообеспечения быта крестьянские хозяйства в отдаленных горных районах Киргизии испытывают потребность в привозных топливных материалах.
Небольшая потребляемая мощность бытового технологического оборудования (потребности в энергии на бытовые нужды семьи из 4…5 человек в сельской местности составляют около 100 МДж в сутки) предопределяет широкое использование местных ВИЭ, в том числе биогаза, получающегося в процессе анаэробной переработки органических отходов сельского хозяйства. При этом наряду с энергетическим аспектом (получение газообразного топлива), большое значение имеют экологические (прекращение вырубки леса в качестве бытового топлива и обеззараживание отходов) и агрохимические (получение органических удобрений для предотвращения снижения плодородия почвы) аспекты применения биогазовой технологии.
В настоящее время разработаны и функционируют большое количество установок по выработке биогаза из органических отходов в различных странах. Однако большинство научно-обоснованных биогазовых реакторов предназначено для переработки отходов крупных животноводческих комплексов и предусматривает подогрев сбраживаемой биомассы применением электроэнергии от централизованных сетей, что сдерживает эффективную утилизацию отходов крестьянских хозяйств, рассредоточенных в регионах с отсутствием централизованного энергоснабжения.
Поэтому разработка автономных биоэнергетических установок (БЭУ) с подогревом сбраживаемой биомассы за счет местных ВИЭ является актуальной проблемой, решение которой вносит вклад в направление эффективной утилизации отходов с обеспечением экологической безопасности в сельскохозяйственном производстве труднодоступных регионов.
Данная работа выполнена в рамках реализации: научно-технической программы Всероссийского НИИ электрификации сельского хозяйства на 1992-1998 г.г. (Госзаказ Россельхозакадемии) «Новые источники энергии», раздел 08.2. «Обосновать и разработать технологию и технические средства автономного энергоснабжения пастбищного и отгонного скотоводства без применения внешних источников энергии»; проекта «Исследование и разработка технологии создания новых источников энергии на основе местных минерально-сырьевых и природных ресурсов» Государственного агентства по науке и интеллектуальной собственности при Правительстве Кыргызской Республики; Международной научной программы НАТО «Наука во имя мира» SfP Project 972296 «Разработка энергетической установки с двигателем Стирлинга мощностью 3 кВт с комбинированным солнечно-газовым теплоподводом».
Целью работы является разработка научно-технических основ создания автономных биоэнергетических установок для крестьянских хозяйств в горных районах Киргизии.
Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:
на основе анализа теоретических аспектов осуществления биометаногенеза и потенциала местных возобновляемых источников энергии разработать технологическую схему автономной биоэнергетической установки с непрерывным режимом сбраживания;
установить теоретически обоснованные решения для определения потребного объема биогазового реактора и параметров технологического оборудования его энергообеспечения;
выполнить экспериментальные исследования по обоснованию технологического режима анаэробного сбраживания в автономной биоэнергетической установке;
разработать прогрессивные технические решения для утилизации продуктов анаэробной конверсии органических отходов сельского хозяйства;
разработать методику инженерного расчета и оценки технико-экономической эффективности автономных биоэнергетических установок.
Объект исследования – технологии и технические средства анаэробной переработки органических отходов животноводства.
Предметом исследований являются системы анаэробной переработки органических отходов животноводства в крестьянских хозяйствах с отсутствием централизованного энергоснабжения.
Методика исследований. Исследования проведены на основе общих положений проведения научно-исследовательских работ с использованием теоретических основ теплотехники, биометаногенеза, физико-математического моделирования и математической обработки результатов.
Область исследования соответствует пунктам 8 «Разработка технологий и технических средств для обработки продуктов, отходов и сырья в сельскохозяйственном производстве» и 11 «Разработка инженерных методов и технических средств обеспечения экологической безопасности в сельскохозяйственном производстве» Паспорта специальности ВАК 05.20.01. – Технологии и средства механизации сельского хозяйства.
Научную новизну работы составляют:
технологическая схема анаэробной переработки отходов крестьянского хозяйства в малогабаритных биогазовых реакторах с непрерывным режимом сбраживания, предусматривающая использование местных возобновляемых источников энергии для осуществления биометаногенеза;
методика инженерного расчета автономной биоэнергетической установки, содержащая: установленную аналитическую зависимость для определения потребного объема биогазового реактора для крестьянских хозяйств; аналитические зависимости по взаимосвязанному определению полезной площади солнечных коллекторов и объема аккумулятора теплоты для покрытия тепловой нагрузки биогазового реактора;
разработанная методика теплотехнического расчета топочно-горелочного устройства для сжигания биогаза в системе теплоподвода двигателя с внешним подводом теплоты.
Практическую ценность работы представляют:
классификация БЭУ по производительности и виду применяемых источников энергии для осуществления биометаногенеза;
методика инженерного расчета автономных биоэнергетических установок для сельских потребителей;
новые технико-технологические решения по утилизации продуктов анаэробной переработки органических отходов сельского хозяйства.
Новизна технико-технологических решений защищены патентами на изобретения (патенты РФ на изобретение №2253211, №2284967, №2306478).
Достоверность результатов исследований по разработке автономных биоэнергетических установок подтверждается выполненным анализом энергетических затрат и корректностью постановки задач исследования, соответствием теоретических разработок фундаментальным положениям биометаногенеза и теплотехники.
Личное участие автора в получении научных результатов. Автор являлся основным исполнителем на всех этапах данной работы, включая постановку задач исследований. Все работы (теоретический анализ проблемы, разработка технологий, математической модели и методики инженерного расчета, выполнение экспериментальных исследований, разработка технических решений биоэнергетических установок, изготовление и испытание опытного образца установки) проведены при личном и непосредственном участии автора.
Реализация результатов работы. Полученные результаты исследований по диссертационной работе внедрены при разработке биоэнергетических установок для фермерского хозяйства с содержанием 500 голов крупного рогатого скота (КРС) и крестьянского хозяйства с содержанием 18 голов КРС в условиях высокогорных пастбищ (Алайский район Ошской области). Результаты работы внедрены также в учебный процесс подготовки инженеров по специальностям «Энергообеспечение предприятий», «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» , «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» в ФГБОУ ВПО МГАУ, в Ошском государственном и технологическом университетах.
Основные положения, выносимые на защиту:
Технологические схемы автономных биоэнергетических установок, разработанные на основе комплексного подхода к обеспечению потребностей в энергии биогазового реактора и крестьянского хозяйства.
Аналитические зависимости по определению потребного объема биогазового реактора и параметров технологического оборудования его энергообеспечения посредством местных возобновляемых источников энергии.
Технические решения компонентов биоэнергетической установки, направленные на повышение энергетической эффективности применения биогазовой технологии переработки органических отходов.
Результаты экспериментальных исследований по обоснованию технологического режима анаэробного сбраживания в биоэнергетической установке с солнечным энергообеспечением.
Методика инженерного расчета и оценки технико-экономической эффективности автономных биоэнергетических установок.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на: Международной научной конференции «Современное состояние научных исследований в Кыргызстане» (2001г., г.Бишкек); VIII Международном Симпозиуме «Техника экологически чистых производств в XXI веке» (2004г., г.Москва); 5-й Международной теплофизической школе: «Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством» (2004г., г.Тамбов); Международной конференции «Energy considerations in Central Asia and Europe» (2004г., г.Ташкент); Международной научно-практич. конф. «Агроэкологические проблемы использования органических удобрений на основе отходов промышленного животноводства» (2006г., г.Владимир); 5-й Международной научно-технич. конф. «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (2006г., г.Москва); Всероссийской научно-практич. конф. «Актуальные проблемы развития АПК» (2006г., г.Саратов); V-й Международной конф. «Проблемы промышленной теплотехники» (2007г., г.Киев), Международной научно-практич. конф. «Биоэнергетика: экологические, экономические и технологические аспекты» (2008г., г.Москва); Международной конф. «Biofuels for energetic 2009» (2009г., г.Прага, Чехия); IV-й Международной научно-практич.конф. «Современные энергосберегающие тепловые технологии» (2011г., г.Москва); Международной научно-практич.конф. «Инновационные энергосберегающие технологии» (2012г., г. Москва).
Публикации. По содержанию диссертационной работы опубликованы 42 работ, в том числе 14 в научных изданиях, рекомендованных ВАК, одна монография объемом 11 п.л., одно учебное пособие объемом 3 п.л., 5 патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключений, списка литературы и приложений. Работа изложена на 251 страницах основного текста, включает 77 рисунков и графиков и 35 таблиц.
