Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор и выбор направления исследований
1.1. Анализ применения нетрадиционных источников энергии для обеспечения энергоресурсами животноводческих комплексов
1.2. Анализ факторов, влияющих на теплоэнергетическую эффективность биогазовых установок
1.3. Анализ состава оборудования и обоснование параметров классификации схем обогрева биогазовых установок
1.4. Анализ основных направлений интенсификации теплообменных процессов биогазовых установок
1.5. Способы снижения затрат тепла на собственные нужды биогазовых установок
1.6. Методы подбора изоляции биореакторов с учетом факторов, влияющих на ее толщину
1.7. Перспективы применения БГУ на животноводческих фермах и комплексах
Выводы по главе и задачи исследований
ГЛАВА 2. Определение рациональных режимов и параметров функционирования биогазовых установок
2.1. Обоснование направления повышения эффективности переработки навоза биогазовыми установками
2.2. Выбор схемы обогрева биогазовой установки в зависимости от режима её работы и доли затрат на собственные нужды
2.3. Определение величины потерь тепла биореактором и толщины изоляции при различных схемах обогрева биореактора
2.4. Повышение теплоэнергетических показателей биогазовых установок при использовании утилизации тепла сброженного субстрата
2.5. Определение температуры теплоносителя для различных схем обогрева биореакторов
2.6. Теоретические исследования коэффициента теплопередачи в системе обогрева биореакторов
2.7. Определение эффективности систем обогрева и рационального шага труб теплообменного устройства
Выводы по главе 2
ГЛАВА 3 Постановка и анализ результатов экспериментальных исследований процесса обогрева биореактора
3.1. Постановка экспериментальных исследований
3.2. Описание экспериментальной установки для исследования параметров наружного обогрева биореактора
3.3. Исследование влияния влагосодержания навоза и материала труб теплообменника на интенсивность нагрева
3.4. Исследование влияния расположения теплообменника и температуры теплоносителя
3.5. Исследование влияния диаметра и шага металлопластиковых труб на коэффициент теплопередачи змеевика
3.6. Исследование совместного влияния диаметра, шага труб и толщины изоляции на процесс теплообмена
3.7. Исследование совместного влияния диаметра труб, температуры и скорости теплоносителя на процесс теплообмена
3.8. Исследование влияния толщины изоляции на коэффициент теплопередачи змеевика труб
3.9. Исследование влияния температуры внутри биореактора от температуры наружного воздуха, толщины изоляции
3.10. Сравнение результатов экспериментальных исследований с теоретическими расчетами среднего коэффициента теплопередачи системы обогрева
Выводы по главе 3
ГЛАВА 4 Практическая реализация результатов исследования
4.1. Возможности использования биогазовых установок для нужд теплоснабжения административных зданий животноводческих комплексов
4.2. Совершенствование методики расчета системы теплоснабжения животноводческих ферм и комплексов на основе БГУ
4.3. Методика расчета системы наружного обогрева корпуса биореактора биогазовой установки
4.4. Модуль биогазовой установки для переработки 1 т/сут. бесподстилочного навоза КРС (для III климатического района РФ)
4.5. Экономическая, теплоэнергетическая и экологическая эффективность внедрения биогазовых установок на животноводческих комплексах
Выводы по главе 4
Заключение и общие выводы
Список литературы
Приложения
- Анализ применения нетрадиционных источников энергии для обеспечения энергоресурсами животноводческих комплексов
- Обоснование направления повышения эффективности переработки навоза биогазовыми установками
- Описание экспериментальной установки для исследования параметров наружного обогрева биореактора
- Возможности использования биогазовых установок для нужд теплоснабжения административных зданий животноводческих комплексов
Введение к работе
Актуальность темы. Потребность в энергоресурсах во всем мире постоянно увеличиваются. Развитие традиционных источников энергии не успевает обеспечивать возрастающее промышленное производство и потребление энергии. Ограниченность топливных природных ресурсов и ухудшение экологического состояния окружающей природной среды при сжигании органического топлива, ставят вопросы дальнейшего пути развития энергетики. Анализ сложившейся ситуации приводит к тому, что необходимо более широко использовать нетрадиционные возобновляемые источники энергии.
Одним из способов производства альтернативного вида топлива является анаэробная переработка биоорганических отходов в биогазовых установках. Образование большого количества отходов оказывает негативное влияние на окружающую среду и требует значительных капитальных и эксплуатационных затрат по их утилизации и захоронению.
В сельскохозяйственном производстве животноводческие предприятия постоянно сталкиваются с проблемой утилизации и переработки жидкого навоза крупного рогатого скота с учетом соблюдения требований охраны природной среды от загрязнения.
В связи с постоянным ростом цен на энергоносители наиболее перспективным способом обработки и обеззараживания навозной массы является ее переработка в биогазовых установках анаэробной ферментацией.
Применение биогазовых установок (БГУ) позволяет не только перерабатывать бесподстилочный навоз крупного рогатого скота, но также получать высококачественное минерализованное органическое удобрение и органическое топливо - биогаз.
Для нормального протекания процесса анаэробного метанового сбраживания навоза необходимо: поддержание постоянной, на установленном уровне, температуры в биореакторе; постоянная подача подготовленного навоза определенной влажности в биореактор; предварительный подогрев навозной массы в приемном резервуаре до необходимой температуры; стабили зация температуры сбраживаемого материала в реакторе при его перемешивании с одновременной подачей свежего субстрата (навоза); Известно, что при работе оборудования в системах термической обработки навоза происходят большие потери тепла, а применяемые теплообменные устройства, малоэффективны и ненадежны [15].
Анаэробная переработка/навоза с целью получения биогаза приводит к необходимости направления его до 40-50 % на подогрев свежего поступающего в биореактор навоза; обогрев: самого биореактора и компенсацию: потери тепла в окружающую среду через технологическое оборудование. Увеличивая долю товарного биогаза путем совершенствования системы обогрева БГУ, можно существенно повысить эффективность ее работы.[17].
Для систем обогрева БГУ рекомендуется использовать; теплоноситель с начальной температурой 60-70°С. Такая относительно низкая температура принимается» во избежание гибели метанообразующих микроорганизмов и • налипания частичек субстрата на теплообменную поверхность, что может привести к ухудшению процесса теплообмена:
Существующие системы:обогрева биореакторов основываются на:теплообменниках трубчатой конструкции: Обогрев биореактора осуществляется посредством размещения по периметру стенок теплообменников в виде спирали из труб, по которым циркулирует горячая вода:
Системы теплоснабжения в сельскохозяйственном производстве рассчитываются на более, высокие параметры, что требует устройства дополнительной ступени по снижению температуры теплоносителя для обогрева биореактора. Применение систем теплоснабжения БГУ с аналогичными для всего производства параметрами позволило бы значительно упростить схему теплоснабжения, а также уменьшить затраты на ее строительство и эксплуатацию.
Цель исследования — совершенствование энергосберегающей технологии и технических средств утилизации навоза КРС путем увеличения выхода то варного биогаза и снижения его использования на собственные нужды биогазовой установки.
Объект исследования — технологический процесс энергосберегающей технологии переработки бесподстилочного навоза крупного рогатого скота, основным элементом которого выступает биогазовая установка.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, физическое моделирование, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и теории планирования эксперимента;
Научная новизна работы состоит в том, что:
- усовершенствована, схема теплоснабжения BFY и система обогрева биореактора за счет возможности повышения температуры теплоносителя;
- получены, теоретические зависимости для определения среднего коэффициента теплопередачи системы обогрева биореактора трубчатым метал- г лополимерным теплообменником, располагаемым в стенке биореактора;
- получены теоретические и экспериментальные зависимости рациональных параметров системы обогрева биореактора: диаметра, шага и длины труб;
- обоснование системы обогрева биореактора увязано с подбором толщины изоляции, климатическими условиями; эксплуатации биогазовых установок и размерами различных типов; животноводческих ферм и комплексов крупного рогатого скота.
В диссертационной работе изучены вопросы применения нетрадиционных источников энергии, существующие виды биогазовых установок, условия их эксплуатации, распределение затрат тепла на собственные нужды установок, различные схемы обогрева биогазовых установок и биореакторов, способы повышения эффективности и перспективы их применения.
Рассмотрены процессы потребления энергии на животноводческих комплексах в зависимости:от температуры наружного воздуха и времени года. На; основании изучения климатических условий эксплуатации и размеров биогазовых установок составлена классификационная таблица для выбора ее схемы обогрева. С учетом величины допустимых потерь тепла биореактором и, воспользовавшись уравнением теплового баланса, получено математическое выражение для определения толщины изоляции цилиндрических реакторов в форме правильных цилиндров. Проведены теоретические исследования по повышению теплоэнергетических показателей биогазовых установок при утилизации тепла сброженного осадка. Для определения допустимой температуры теплоносителя предложено уравнение требуемого термического сопротивления, которое позволяет подобрать материал труб теплообменника и конструкцию его стенки.
Выведена аналитическая зависимость для определения коэффициента теплопередачи для теплового потока, направленного на нагрев субстрата трубами, расположенными по наружной поверхности биореактора, которая дала возможность определить средний коэффициент теплопередачи при различ- • ных схемах теплообменников.
Обоснована зависимость для определения шага и диаметра труб системы обогрева биореактора при различном расположении теплообменников, позволяющая подобрать ее с требуемой тепловой мощностью. Для сравнения процесса обогрева биореактора различными теплообменниками предложен коэффициент эффективности нагрева.
Представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию влажности навоза, расположения теплообменника, температуры теплоносителя, диаметра и шага труб, толщины изоляции, температуры и скорости теплоносителя на процессы теплообмена в биореакторах.
В разделе практической реализации результатов исследований усовершенствована методика теплового расчета системы теплоснабжения животноводческого комплекса на основе БГУ и системы обогрева биореакторов. Для теплоснабжения фермерского хозяйства предлагается модуль БГУ с однотрубной системой и утилизацией тепла сброженного осадка суточной производительностью по переработке 1 тонны бесподстилочного навоза.
Рассмотрен экологический, экономический и теплоэнергетический эффект от внедрения БРУ на животноводческих комплексах.
Исследования,.на основе которых подготовлена данная диссертация, выполнялись в Волгоградском государственном. архитектурно-строительном •университете.
Работа выполнялась в,рамках подпрограммы «Отходы» Федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы: России (2002-2010 годы)» ив соответствии с тематическим планом научно-исследовательской работы Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. .
Практическая ценность.
- даны рекомендации по расчету систем теплоснабжения БЕУ, направ-ленные на увеличение выхода товарного биогаза и: повышение эффективно-стиБЕУ;
- разработана; методика подбора параметров г систем обогрева биореакторов из металлополимерных труб при прокладке по наружной поверхности стенки биореактора обеспечивающая заданный режим сбраживания;
- разработан типовой модуль системы теплоснабжения БГУ для фермерского хозяйства на 10 дойных коров;
- предложена схема утилизации тепла сброженного осадка без применения перемешивающих устройств, позволяющая повысить выход товарного биогаза. .
Реализация результатов исследований:
- материалы диссертационной работы использованы при разработке.проекта системы утилизации жидкого навоза на откормочной ферме, размером 100 условных голов по типовым проектным материалам 801-01-103.33.90 для III климатического района.
- в крестьянском фермерском хозяйстве в с.Єтепное Степновского района Ставропольского края реализована БГУ с системой обогрева;биореакто pa из металлополимерных труб, предназначенная для утилизации навоза от 10 дойных коров;
- материалы диссертационной работы использованы кафедрой ТГС ВолгГАСУ в курсах лекций и в дипломном проектировании при подготовке инженеров специальности 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на II Международной научно-технической конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», Волгоград 2003; VII, VIII, IX Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области по направлению «Экология, охрана среды, строительство»; научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Волгоград, 2003. Конференциях молодых ученых и специалистов (2005...2007 г.г.) Волгоградской ГСХА.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах. Из них 4 статьи опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК РФ. Общий объем публикаций 3 печатных листа, из них на долю автора приходится 2 печатных листа.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- принципиальные схемы обогрева БГУ животноводческих ферм и комплексов для различных климатических районов территории РФ;
- теоретические зависимости, характеризующие процессы теплообмена в системах обогрева биореакторов при различном расположении труб теплообменника;
- экспериментальные и аналитические зависимости рациональных параметров теплообменников системы обогрева биореактора;
- рекомендации по расчету систем обогрева биореакторов и теплоснабжения животноводческого комплекса на основе БГУ;
- предлагаемый модуль системы теплоснабжения БГУ для фермерских хозяйств с однотрубной системой и утилизацией тепла сброженного осадка суточной производительностью 1 тонна бесподстилочного навоза.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Материал изложен на 151 странице машинописного текста, содержит 20 таблиц и 30 иллюстраций. Список использованной литературы состоит из 150 наименования, из них 28 — на иностранных языках.
На основании анализа состояния вопроса и в соответствии с целью работы были сформулированы следующие задачи исследований:
- изучить вопросы применения нетрадиционных источников энергии, существующие виды биогазовых установок, условия их эксплуатации, распределение затрат тепла на собственные нужды установок, различные схемы обогрева биогазовых установок и биореакторов, способы повышения эффективности и перспективы их применения.
- обосновать классификационную таблицу выбора схемы обогрева БГУ и ее размеров в зависимости от климатических условий региона эксплуатации, размеров и типов животноводческих ферм и комплексов
- разработать математическую модель обоснования толщины изоляции цилиндрических биореакторов в форме правильных цилиндров с учетом величины допустимых потерь тепла;
- определить допустимую температуру теплоносителя с учетом требуемого термического сопротивления, позволяющего подобрать материал труб теплообменника и конструкцию его стенки для повышения теплоэнергетических показателей биогазовых установок при утилизации тепла сброженного осадка
- исследовать аналитическую зависимость определения коэффициента теплопередачи теплового потока нагрева субстрата трубами по наружной поверхности биореактора и определить средний коэффициент теплопередачи при различных схемах теплообменников.
- обосновать аналитическую зависимость для определения шага и диаметра труб системы обогрева биореактора при различном расположении теплообменников, позволяющая подобрать ее с требуемой тепловой мощностью
- разработать методику и провести экспериментальные исследования влияния влажности навоза, расположения теплообменника, температуры теплоносителя, диаметра и шага металлопластиковых труб, толщины изоляции, температуры и скорости теплоносителя на процессы теплообмена в биореакторах;
- разработать,методики расчета систем теплоснабжения биогазовой установки и параметров системы обогрева биореактора;
- выполнить производственную проверку и дать оценку экономической эффективности применения предлагаемой технологии переработки навоза крупного рогатого скота в биогазовых установках.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована планированием необходимого объема экспериментов и подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований.
Анализ применения нетрадиционных источников энергии для обеспечения энергоресурсами животноводческих комплексов
В последнее время во всем мире наблюдается тенденция к росту энергопотребления, что обусловлено стремительными темпами развития промышленности, и экономики таких стран как Китай, Бразилия, Индия и других, ростом народонаселения, а также эволюцией образа жизни людей. Рост промышленно-го производства приводит к постоянному росту цен на энергоносители. Нехватка энергоресурсов во всем мире приводит к ускоренному поиску новых источников энергии (НИЭ).
Очевидно, что структура энергопотребления в развитых и развивающихся странах будет существенно отличаться друг от друга. Индустриально развитые страны, такие как США, Канада, Англия, Германия, Япония и другие, намерены повышать долю возобновляемых источников энергии и газа в общем энергопотреблении в целях снижения зависимости своей экономики от импортной нефти, а также под влиянием экологов. В то же время в развивающихся странах, таких как Китай, Индия, страны Африки и Южной Америки, доля нефти будет оставаться существенной. Прежде всего, это связано с тем, что внедрение в производство НИЭ, а также использование газа на этих территориях потребует создания соответствующей инфраструктуры, для чего необходимы крупные инвестиции.
По данным Energy International Administration (EIA) потребление энергии в мире по состоянию на 1 января 200 Г года выглядело следующим образом (рис. 1.1) [6]: Альтернативные источники энергии включают в себя солнечную, ветряную, приливную, геотермальную энергию, а также энергию, получаемую из биомассы.
В настоящее время нефть является основным энергоресурсом в мировой энергетической системе, ее доля в суммарном энергопотреблении составляет около 39%, а в некоторых странах этот показатель превышает 60%. Нефть и нефтепродукты традиционно используются как сырье для производства электро- и теплоэнергии, в качестве моторного топлива, а также как полуфабрикат для химической промышленности.
Среди несомненных достоинств альтернативных источников энергии стоит отметить повсеместную распространенность большинства видов, эколо-гичность и возобновляемость, а также низкие эксплуатационные затраты. Среди отрицательных - нестабильность во времени и низкую плотность потока энергии, которая вынуждает производителей использовать большие площади энергоустановок. При этом существенным препятствием на пути широкого распространения НИЗ являются значительные начальные капиталовложения, несмотря на то, что они окупаются впоследствии за счет низких эксплуатационных затрат. Кроме того, производители традиционных источников энергии совершенно не заинтересованы в развитии НИЭ. И хотя они проявляют большой интерес к новым технологиям и финансируют научно-исследовательские программы в этой области, они, тем не менее, не торопятся внедрять их в массовое производство.
Большинству экономически развитых стран пришлось разрабатывать новую энергетическую стратегию, направленную на диверсификацию источников энергии, энергосбережение, а также на изучение возможностей применения альтернативной энергетики.
Значительное подорожание традиционных, видов топлива позволило обеспечить конкурентоспособность технологии анаэробного сбраживания биологических отходов с целью получения биогаза. Биогазовые технологии становятся рентабельными, если в качестве субстрата используются отходы, содержащие в своем составе существенную долю органических веществ: отходы животноводства и птицеводства (экскременты животных и птиц и подстилочные материалы, такие как солома), растительные отходы сельского хозяйства, жидкие и твердые органические отходы легкой и пищевой промышленности, бытового и коммунального сектора.
Согласно-прогнозам экспертов, при высоком уровне инвестиций в развитие НИЭ, солнечная энергетика могла бы обеспечить 10 % от общемировой энергии к 2020 году, ветряная - 15 %, гидроэнергия - порядка 9 %, приливная и геотермальная в совокупности около 1 %, энергия из биомассы —4 % [6].
Одним из способов преобразования энергии из биомассы является анаэробная переработка отходов в биогазовых установках. В связи с этим животноводческие комплексы могут рассматриваться как мощные источники возобновляемой энергии, поскольку 50...55% массы скармливаемых кормов не усваивается животными и уходит в навоз. Однако существующие технологии и оборудование по утилизации навоза требуют значительных капитальных и энергетических затрат, которые в целом не дают возможности получать высококачественные органические удобрения и не нарушать требований окружающей экологии [8, 28].
Наиболее перспективным направлением производства биогаза является применение анаэробной технологии переработки отходов животноводства. Переработка значительных масс экскрементов от животных в БГУ позволяет обеспечить животноводческие фермы и комплексы недорогими энергоресурсами и согласно санитарно-гигиеническим нормам произвести обеззараживание отходов. При этом благодаря значительной концентрации поголовья животных на ограниченной территории обеспечивается значительная сырьевая база. При данной технологии часть вырабатываемого газа направляется на собственные нужды бйогазовой установки, что позволяет обеспечить автономность ее работы Биогазовые установки используют принцип анаэробной обработки отходов, который основан на деятельности метанобразующих бактерий в бескисло-роднойсреде при температуре 33-35С (мезофильный режим) или 53-55G (термофильный режим), при которой в реакторе — метантенке происходит процесс сбраживания навоза с образованием горючего биогаза [11, 17, 69І 71].
Получаемый биогаз может использоваться объектами теплогазоснабже-ния ферм-и комплексов: системами отопления швентиляции зданий, технологическим оборудованием приготовления кормов, системами горячего водоснабжения; генераторными установками, а также транспортом [56, 30]1 Так как процесс биоконверсйи протекает при повышенной температуре, то и сами БГУ являются объектами теплоснабжения. В настоящее время для обеспечения потребности в тепловой энергии животноводческих комплексов І используют либо котельные, установки, либо различные электротеплонагреватели;
Обоснование направления повышения эффективности переработки навоза биогазовыми установками
На данный момент в России промышленностью выпускаются следующие виды установок. ИБГУ-1 - установка предназначена для переработки всех видов органических отходов крестьянского или фермерского хозяйства, имеющего на своем подворье до 5-6 голов крупного рогатого скота, или 50-60 голов свиней, или 500-600 голов птицы. Объем биореактора составляет 2 м . Данная установка может собираться по модульному принципу и насчитывать несколько биореакторов.
Модуль "БИОЭН-1" обрабатывает отходы от 25-30 голов КРС, или 250-300 голов свиней, или от 2500-3000 голов птицы и работает в автономном режиме, независимо от централизованного энергоснабжения. Эта система получила второе техническое название «Мини-теплоэлектростанция на отходах».
Блок-модуль 2-4-ИБГУ-1 - это батарея, собираемая из 2, 3 или 4 комплектов ИБГУ-1, имеющая общую механизированную систему загрузки сырья. Такой комплекс может обрабатывать отходы от 10 до 20 голов крупного рогатого скота или от 100 до 200 голов свиней, или от 1000 до 2000 голов птицы. К таким системам могут быть подключены электро- или теплогенераторы, что превращает их в автономные системы.
КАБМ БВС ТЭС предназначен для обеспечения всех производственных нужд фермы КРС на 100 голов или свинофермы на 1000 голов, или птицефермы на 10000 голов, в тепловой и электрической энергии и возможного аккумулирования энергии в виде сохраняемого биогаза при использовании ветроэлектроге-нераторов и станции солнечного теплоснабжения. В состав КАБМ БВС ТЭС входят: биогазовая теплоэлектростанция мощностью не менее 10-15 кВт (электрических) и не менее 60 кВт (тепловых), ветроэлектрическая станция мощностью не менее 16-32 кВт, станция солнечного теплоснабжения мощностью 2300 л воды в сутки с температурой нагрева не менее 60 С. Установка "Биогаз-ЗОІС" предназначена для обезвреживания и утилизации отходов свиноводческой фермы с поголовьем 3000 свиней. Является составной частью фермы и представляет собой комплекс технологического оборудования для переработки навоза фермы методом анаэробной ферментации с получением органических удобрений и биогаза.
Для поддержания заданного режима работы БГУ необходимо предусматривать устройство систем ее обогрева. Наиболее распространенными являются рекуперативные теплообменные аппараты, где в качестве теплоносителя используется горячая вода или водяной пар. Поскольку перепады температуры отрицательно влияют на ход технологического процесса, подвод теплоты должен сопровождаться интенсивным перемешиванием субстрата [69].
Кроме того, конструкция системы подвода теплоты должна исключать отложение на поверхностях теплопередачи взвешенных твердых частиц (рекомендуются, например, высокие скорости движения субстрата относительно поверхностей теплопередачи) или иметь возможность относительно легкой очистки этих поверхностей.
Для небольших реакторов с наличием перемешивающих устройств применимы теплообменные нагревательные элементы (например, шланги, цилиндрические или плоские теплообменники), через которые прокачивается горячая вода (Т 60С) и которые можно вынимать из реактора при его очистке. Более высокая температура, которую можно было бы поддерживать в установках с термофильными бактериями, повышает риск налипания взвешенных твердых частиц на поверхность теплообменника [54, 56, 69], а также при высокой температуре метанообразующие бактерии гибнут ( 60) [69]. Нагреватели, встроенные в стенки реактора целесообразно применять лишь в том случае, если они могут передавать теплоту субстрату с обеих сторон стенки, как это происходит в двухкамерном реакторе с внутренней перегородкой. Кроме того, подогрев субстрата можно осуществлять непосредственно, подавая в него горячую воду или пар [69]. Подогрев субстрата путем введения пара под давлением ведет к повышению содержания? влаги в газе, для; устранения? которой при подготовке газа к использованию требуются дополнительные меры.
Равномерную передачу тепла субстрату можно обеспечить с помощью теплообменников; расположенных вне реактора. Однако их следует применять только в сочетании с системой принудительной циркуляции субстрата, что влечет за собой; повышение затрат, но позволяет надежно регулировать температуру брожения. Эта система подогрева имеет то преимущество, что благодаря одновременному подогреву и перемешиванию свежего и циркулирующего суб-стратафазница между температурами поступающего в камеру и уже имеющегося там субстрата будет незначительной. Кроме того, надежно поддерживается скорость перемещения?субстрата,необходимая для предотвращения выпадения твердого осадка на поверхностях теплообменника. И; наконец, расположение теплообменников вне рабочего пространства реактора облегчает доступ і для обследования иремонта [69].
Водяные теплообменники (рис: 1.7) представляют собой змеевикш из= труб, располагаемые снаружи реактора на корпусе (а), в корпусе, если он изготавливается из массивных- конструкций (б), внутри реактора по стенкам корпуса ив объеме (в). Выносные трубы могут быть разной формы: круглые, квадратные, треугольные, овальные. Паровые теплообменники в основном смесительного типа (е) [66]
Описание экспериментальной установки для исследования параметров наружного обогрева биореактора
Развитие животноводства является одним из основных направлений про-: изводственной деятельности агропромышленного комплекса. Высокий уровень механизации животноводческих комплексов позволяет получать высококачественную продукцию с меньшими трудовыми и энергетическими затратами. Обеспечение жизнедеятельности животных осуществляется системой инженерных сооружений, специальным оборудованием, основными и вспомогательными помещениями, которые в свою очередь требуют соответствующего теплоснабжения.
Системы теплоснабжения обеспечивают нужды отопления горячего водоснабжения, приготовления кормов, вентиляции. В основном для производства и доставки тепла на комплексах используются котельные установки и внут-риплощадочные тепловые сети. Котельные в качестве топлива используют в основном традиционные источники (уголь, мазут, природный газ). Однако в связи со значительным подорожанием и нехваткой традиционных источников энергии может встать вопрос о снижении темпов роста и развития отрасли. В этом плане продолжению развития и увеличению рентабельности могут способствовать нетрадиционные источники энергии (НИЭ), в частности установки преобразования энергии анаэробного сбраживания навоза (биогазовые установки).
Потребление тепловой энергии на животноводческих комплексах неравномерно в течение года, это связано с основной долей затрат на отопление и вентиляцию зданий в зимний период года. Процесс потребления энергии на животноводческом комплексе в зависимости от температуры наружного воздуха и времени года можно описать графиком (рис. 2.1) по линии 1-1. При этом увеличение нагрузки от температуры менее +8С обосновывается затратами на отопление, вентиляцию и увеличивающиеся нагрузки на горячее водоснабжение и технологические нужды.
При обустройстве и внедрении в систему теплоснабжения биогазовой установки, она способна обеспечить потребности животноводческого комплекса в объеме, показанном по линии 2-2. Общая выработка тепловой энергии установкой характеризуется прямой 3-3, являющейся средневзвешенной от кривой выхода биогаза в процессе анаэробной переработки отходов животноводства. Потребление тепловой энергии на нужды самой установки описывается линией 4-4 и оно зависит от температурного режима, тепловой изоляции, использования утилизации тепла сброженного осадка и других факторов.
Основной задачей при использовании биогазовых установок является снижение затрат на собственные нужды и повышение эффективности их использования [21, 69]. Эффективность принимаемых инженерных решений оценивается величиной А, в этом случае график линии 2-2 смещается до линии 2 Для конкретного анализа расходов тепловой энергии нами изучены потребности в энергоресурсах животноводческих ферм на 2500 и 5000 голов крупного рогатого скота мясного направления. На рис. 2.2 представлен график общего потребления энергии на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение и производительность биогазовой установки. Из графика видно, что в летний период образуется значительный избыток энергоресурсов. Среднемесячные нагрузки по предприятию превышают производительность установки в зимний период, однако общая её годовая производительность намного выше требуемых затрат. Общее увеличение нагрузки в зимний период не превышает месячной производительности установки. В этой связи следует принимать решения по аккумулированию энергии, вырабатываемой нетрадиционными источниками. Величина аккумулирования должна определяться исходя из конкретных условий.
Для крупных комплексов создание систем накопления биогаза без возможности его полной реализации нерационально, так как встает вопрос о реализации избыточной энергии. Дополнительное использование энергии нетрадиционных источников возможно при совместном получении тепловой и электрической энергии, снабжение энергоресурсами сторонних потребителей, например, расположенные рядом промышленные предприятия, тепличные хозяйства, административные и общественные здания сельских поселений. В этом случае создание резервуарного парка может быть экономически оправдано [69].
Для установок малой производительности с объемом реактора менее 100 м , которые могут применяться для небольших частных фермерских хозяйств, объем экономии собственных затрат является наиболее острым вопросом. Это связано с тем, что величина этих затрат составляет до 57 %, а общая производительность установки невелика [49, 70].
Изучение вопросов использования анаэробной переработки отходов на животноводческих комплексах является на сегодняшний день актуальной задачей. Более широкое внедрение биогазовых установок позволит сельскохозяйственным предприятиям решить вопросы утилизации отходов и обеспечения собственных потребностей в энергоресурсах.
Возможности использования биогазовых установок для нужд теплоснабжения административных зданий животноводческих комплексов
Расположение нашей страны в суровых климатических условиях не способствует развитию биоэнергетики, поэтому без специальных инженерных изысканий и мероприятий невозможно добиться эффективности производства биогаза и обеспечения положительного баланса в производстве тепловой энергии из полученного топлива. Благодаря низким температурам наружного воздуха в зимний период года возникает необходимость тщательно подбирать схему обогрева БГУ для снижения затрат тепла и повышения эффективности теплоснабжения, а также более рационального использования возможностей конверсии навоза. Как уже отмечалось, схема обогрева БГУ зависит от размеров животноводческого комплекса и климатического района его расположения.
Особое внимание необходимо уделять режиму сбраживания. Применение термофильного режима сбраживания приводит к увеличению удельных тепло-потерь. Применение термофильного режима сбраживания приводит к увеличению выхода биогаза и ускорению деструкции навоза на 20 % [49], что позволяет уменьшить объем реактора. Однако расчеты показывают, что затраты тепла на обогрев реактора все же возрастают на 16 % при прочих равных условиях, что требует увеличения изоляции.
Во всех случаях избыточная тепловая энергия может поставляться на нужды отопления и горячего водоснабжения потребителей, расположенных на животноводческом комплексе. Подбор установки для обеспечения тепловой энергией зданий и сооружений фермы или комплекса можно предварительно осуществить по величине отапливаемой площади помещений, расходу горячего водоснабжения и нормируемому тепловому потоку на эти нужды. Например, для подбора установки для отопления административных зданий в зависимости от объема можно воспользоваться классификационной таблицей 4.1.
Классификация и выбор схемы теплоснабжения основан на учете количества затрачиваемой энергии на тепловые процессы и выполнения функции поддержания заданного теплового режима для технологических нужд. Выбор схемы (однотрубная или двухтрубная) зависит от затрат тепла и пропускной способности максимально допустимого диаметра труб змеевика системы обогрева, который выбирается из условий: стоимости материалов; удобства монтажа; конструктивности. Для металлопластиковых труб диаметр должен составлять не более 40 мм, для стальных — не более 100 мм. Кроме того, в схемах теплоснабжения следует использовать утилизацию тепла сброженного осадка в емкостных теплообменниках, что позволяет в некоторых случаях отказаться от предподогре-вателей субстрата перед загрузкой в биореактор. Предподогреватели следует предусматривать при больших объемах загружаемого субстрата, а также при низких расчетных температурах, что позволяет увеличить эффективность подогревателей благодаря использованию большего перепада температур между теплоносителем и субстратом и соответственному уменьшению теплообменной поверхности, что приводит к уменьшению капитальных затрат на создание сис-темыобогрева.
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований усовершенствована методика расчета систем теплоснабжения БГУ на животноводческих комплексах. Данная методика позволяет запроектировать и внедрить систему теплоснабжения в соответствии с заданными параметрами, а также определить необходимость дополнительной поставки альтернативного топлива. При расчете определяется количество избыточного биогаза (или недостатка топлива) и решается вопрос о его использовании. Методика позволяет оценить тепловую эффективность применения БГУ на животноводческих комплексах. Методика расчета заключается в следующем.
На основании размеров животноводческой фермы или комплекса и климатических условий района производится выбор схемы обогрева БГУ по табл. 2.1. После выбора схемы приступают к составлению теплового баланса. Подсчет затрат тепла начинают с определения типа и толщины изоляции биореактора. За ос-нову можно, принимать изоляцию из минеральной ваты с X = 0,06 Вт/(м С). Предварительно задаемся толщиной изоляции, определяемой по зависимости, мм
После этого выполняется расчет затрат тепла на собственные нужды по известной методике [69]. Далее необходимо определить расход тепла на обогрев приемного резервуара. Уточняется режим загрузки-выгрузки биореактора, после чего определяется тепловая мощность теплоутилизатора и температура субстрата на выходе из него. Определяется температура в биореакторе после загрузки свежего субстрата и рассматривается вопрос о необходимости установки предподогревателя.
