О возможности создания энергокомплекса с использованием биоотходов

УДК 621.311

О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИООТХОДОВ

В.А. Ткаченко, А.В. Ткаченко

Рассматриваются вопросы развития предприятий, участвующих в производстве энергии на основе биотехнологий. Определено, что экономический эффект от использования биотехнологий чрезвычайно высок, а срок их окупаемости достигает двух лет.

The article covers the problems of companies engaged in energy generation on the basis of biotechnology. It is defined that economical effect of biotechnological using is exceedingly high and payback period achieves two years.

На территории Елизовского района Камчатского края находится птицефабрика «Пионерская», где содержится 200 тыс. кур-несушек, при этом ежедневное количество образующегося помета с влажностью 85% составляет 90 т.

На птицефабрике применяется комбинированное удаление помета с использованием скребка и гидросмыва. По транспортеру он направляется в септики, расположенные на торце каждого птичника. Ежедневно происходит выгрузка помета из септика посредством машины типа «АНЖ» и вывоз за территорию птицефабрики, где располагается лагуна для его хранения.

В настоящее время жидкая компонента помета, стоимость 1 м3 которого составляет 166 руб., используется в качестве удобрения для орошения полей. Твердая часть сырья используется в качестве материала для приготовления компоста, который представляет собой смесь торфа и помета. Стоимость 1 т компоста на сегодняшний день составляет 300 руб.

Для отопления птичников на территории птицефабрики имеется котельная, в которой находятся три водогрейных котла и один паровой. Последний используется для выработки пара и подачи его в убойный цех на технологические операции. Водогрейные котлы предназначены для подогрева воды, применяемой в качестве теплоносителя для отопления птичников. За первое полугодие 2008 г. количество потребляемой энергии составило 1464,06 Гкал, а количество использованного мазута - 567,291 т. Поскольку закупочная стоимость 1 т мазута равна 9000 руб., расходы на топливо составили 5 млн 105 тыс. руб.

Административные здания птицефабрики отапливаются посредством муниципальной котельной, которая расположена вблизи территории птицефабрики. Количество тепла на отопление административных зданий за первое полугодие 2008 г. составило 204,46 Гкал, при этом стоимость 1 Гкал для птицефабрики равна 1936,49 руб. Количество потребляемой электрической энергии за 2007 г. составило 3 254 642 кВт. На сегодняшний день птицефабрика пользуется льготами на электроэнергию, и с учетом этого стоимость 1 кВт энергии равна 1 рублю (нынешняя стоимость 1кВт для предприятий Камчатской области - 3 руб.). Дотация осуществляется из средств краевого бюджета.

Учитывая приведенные тарифы, необходимо рассмотреть вопрос о разработке энергокомплекса, основой которого является выработка тепловой и электрической энергии с использованием биотоплива, полученного в результате утилизации куриного помета птицефабрики при его брожении в специальных устройствах - метантенках.

Поступление отходов животноводческих комплексов в окружающую среду без соответствующей обработки и обеззараживания загрязняет природные объекты и увеличивает опасность их инфицирования. В то же время они заключают в себе значительный энергетический и агрохимический потенциал. В настоящее время наиболее привлекательным комплексом по утилизации отходов животноводства является комплекс анаэробного сбраживания (т. е. без доступа кислорода) с целью получения биогаза.

В основу работы биогазовой установки (БГУ) заложены биологические процессы сбраживания и разложения органических веществ под воздействием метанобразующих бактерий в анаэробных условиях (характерных отсутствием свободного кислорода), высокой влажности и температурной среды: 15-20°С - для психофильных, 30-40°С - для мезофильных, 50-70°С - для термофильных бактерий.

Анаэробное сбраживание осуществляется в герметичной емкости - реакторе (метантенке), обычно цилиндрической формы горизонтального или вертикального расположения. Для эффек-

тивного сбраживания в полости реактора необходимо поддерживать постоянную температуру в соответствии с принятым режимом брожения и осуществлять регулярное перемешивание сбраживаемого сырья. Следует отметить, что мезофильный режим требует меньших затрат тепла, но распад органических веществ при такой температуре происходит медленнее и не в полном объеме. Термофильный режим переработки сырья требует больших затрат тепла, имеет более высокую скорость распада, более высокий выход биогаза и наименее вреден для окружающей среды. Однако этот режим более сложен для реализации и контроля. В процессе сбраживания происходит выделение биогаза, содержащего 40-70% метана, 30-60% углекислого газа, около 1% сероводорода и небольшие количества азота и водорода. Объемная теплота сгорания биогаза составляет около 22 МДж/м3. Количество образующегося биогаза для нормально текущего процесса при температуре 35-37°С и среднем времени удержания сырья в реакторе, равном 10 дням, колеблется в пределах 30-70 м3 биогаза на 1 т сырья в сутки.

Применение технологии анаэробного сбраживания биоотходов позволяет решить следующие задачи:

- внедрение комплексных природоохранных мероприятий по сокращению токсичных выбросов в атмосферу, почвенную и водную среду;

- получение сельскохозяйственным предприятием прибыли за счет использования биогаза для выработки электрической и тепловой энергии, реализации органических удобрений со стабильными свойствами (отсутствие запаха и повторного загнивания), причем 1 л жидкого концентрированного удобрения эквивалентен 100 кг навоза;

- повышение надежности и безопасности в энергосбережении животноводческих ферм и птицефабрик путем использования собственного возобновляемого источника энергии;

- повышение плодородия почв и урожаев с кормовых площадей сельскохозяйственных предприятий за счет внесения своих удобрений, являющихся источником не только биогенных элементов, но и гуминовых веществ.

Кроме того, происходит очистка отходов. Размеры отстойников и лагун огромны, а площадь биогазовой установки меньше площади лагун в несколько раз. В отходах, поступающих в лагуны, вода связана коллоидными соединениями и мало испаряется. После биогазовой установки масса переброжена, вода отсепарирована и процесс испарения ускоряется. Переброженную массу можно сразу разливать на поля как удобрение, а не ждать при этом три года. Таким образом, есть возможность иметь лагуны, площадь которых в пять раз меньше.

Количество выхода биогаза из различных видов биоотходов соответствует приведенным далее значениям:

Проект по строительству биогазовой установки должен быть направлен на реализацию программы «Энергетическая стратегия России до 2020 года», которая определяет освоение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в качестве приоритетного направления. Проект соответствует комплексному плану действий Российской Федерации по реализации Киотского протокола, в соответствии с которым к 2010 г. намечено удвоение доли возобновляемых источников энергии в общем объеме производства первичных энергоресурсов.

Примерная схема разрабатываемого энергокомплекса по выработке и использованию биогаза представлена на рис. 1.

В энергокомплекс входят следующие составные части:

1. Реактор, который служит емкостью для сырья и в котором под действием метанобра-зующих бактерий происходит брожение сырья. В результате этого происходит выделение биогаза. Реактор состоит из газгольдера, служащего в качестве емкости для хранения вырабатываемого биогаза; утеплителя для уменьшения потерь тепла в окружающую среду; балочного свода для придания прочности конструкции реактора; перемешивающего устройства, предназначенного для перемешивания сырья в реакторе в целях интенсификации процесса брожения; шнекового загрузчика для загрузки твердого сырья в реактор; системы отвода переброженной массы.

2. Насосная станция, предназначенная для подачи жидкого сырья в реактор.

Тип сырья Навоз коровий Навоз свиной Помет птичий Отходы рыбопродукции

Выход газа, м3 на 1 т сырья

38-52

52-88

75-150

500-700

3. Когенерационный модуль, состоящий из газопоршневого двигателя, работающего на биогазе, для выработки электрической и тепловой энергии, а также теплообменные аппараты для утилизации тепловой энергии отработавших газов и охлаждающей воды на выходе из двигателя.

Газгольдер

Утеплитель

Биогаз

і Пере/лешиваощее ' устройство

Отвод переброженной массы

U

Конденсатор-

отводчик

Емкость сбора и гомогенизации жидкого сырья

водой

Блок

Тепло на технологические нужды, отопление

Электроэнергия

Рис. 1. Примерная схема разрабатываемого энергокомплекса

Для расчета выхода биогаза используются следующие данные:

- количество кур-несушек - 200 тыс. штук;

- суточное количество навоза - 90 т/сутки;

- влажность навоза - 73% (механическая уборка);

- выход биогаза с 1 т помета - 110 м3 биогаза (70% СН4, 30% СО2);

- плотность биогаза - 1,2 кг/м3;

- стоимость гумуса удобрений - 5000... 8000 руб./т;

- стоимость жидкого биоудобрения - 140 руб./м3 (литр полученных в результате переработки навоза удобрений эквивалентен 100 кг навоза, используемого в качестве удобрений);

- теплота сгорания биогаза 2биог = 24 500 кДж/кг;

- количество жидких удобрений - 85% от сброженного сырья;

- количество гумуса - 15% от сброженного сырья.

Газопоршневые электростанции должны размещаться в 40-футовом контейнере типа «Север», имеющем габаритные размеры 12 х 2,5 х 2,6 м. Контейнер располагается на одном фундаменте с биогазовым реактором.

Контейнерное исполнение имеет следующие преимущества:

- минимальный объем (и стоимость) проектных, строительно-монтажных и пусконаладочных работ на площадке, что особенно актуально при получении оборудования в лизинг;

- быстрый ввод в эксплуатацию (на 3-4 месяца раньше, чем здание для электростанции);

- высокая степень мобильности;

- компактное размещение на площадке (минимальная занимаемая площадь);

- низкий уровень шума (72 дБ на расстоянии 15 м и может быть снижен по желанию заказчика).

Общий вид электростанции в контейнере представлен на рис. 2.

В контейнере продольно размещаются два газопоршневых генератора (ГПГ) на базе дизелей Са1егрШаг3508ЬБ. Газопоршневый генератор имеет длину 3660 мм вместе с рамой, ширину 1959,4 мм и высоту 1569,7 мм. При продольном расположении ГПГ остается достаточно места для проходов и обслуживания оборудования. В одном торце контейнера располагается местный щит управления, в другом - расходная масляная цистерна и глушитель с вытяжным вентилятором. Теплообменные аппараты располагаются на потолке над дизелями (внутри контейнера).

Рис. 2. Общий вид газопоршневой электростанции в контейнерном исполнении

Газопоршневые электростанции будут работать в параллели для выработки электрической энергии и передачи ее в общую сеть, при этом часть электрической энергии будет потребляться биогазовым комплексом.

Обычный (традиционный) способ получения электричества и тепла заключается в их раздельной генерации (электростанция и котельная). При этом значительная часть энергии первичного топлива не используется. Существенное уменьшение общего потребления топлива достигается путем применения когенерации (совместного производства электроэнергии и тепла).

Когенерация обеспечивает огромный выигрыш в энергетическом КПД. Это происходит за счет утилизации тепла выхлопных газов, а также утилизации тепла в водяной рубашке охлаждения, теплообменнике охлаждения масла и промежуточном охладителе топливной смеси. Когене-рация, используя первичное топливо, в два-три раза эффективнее, чем традиционная энергетика, снижает выбросы загрязняющих веществ (оксида азота, двуокиси серы и летучих органических соединений).

Мы считаем целесообразным разработать и внедрить когенерационный модуль для утилизации теплоты продуктов сгорания и теплоты, отводимой от двигателя системой охлаждения. При этом тепло в виде горячей воды, полученной в когенерационном модуле газопоршневой электростанции на биогазе с помощью пластинчатых теплообменников типа «вода - вода» и «газ -вода» фирмы «Машимпэкс», направлять в центральную систему теплоснабжения объекта с биоотходами и в систему отопления муниципальной котельной. Вода из обратного контура основной системы отопления подается центробежным насосом насосной станции поочередно в пластинчатый теплообменник типа «вода - вода», где она нагревается до температуры 65°С за счет утилизации теплоты системы охлаждения газопоршневого двигателя. Затем нагретая до температуры 65°С вода поступает в пластинчатый теплообменник типа «газ - вода», где она нагревается до температуры 85°С за счет утилизации теплоты отработавших газов газопоршневого двигателя. После пластинчатого теплообменника вода с температурой 85°С направляется в основную систему отопления производственных помещений объекта с биоотходамии и в обратный трубопровод муниципальной котельной .

Расчет экономической эффективности проекта биоэнергетики для птицефабрики «Пионерская» представлен в таблице.

№ п/п Показатели Значение

1 2 3

1 Суточный выход биоотходов, м3/сут 90

2 Выход биогаза из 1 м3 отходов, м3 110

3 Суточный выход биогаза, м3/сут 9900

4 Теплотворная способность биогаза (метан - 70%, углекислый газ - 30%), кДж/ м3 24 500

5 Суточное количество теплоты биогаза, кДж/сут 242 550 000

1 2 3

6 КПД двигателя 0,37

7 КПД генератора 0,86

8 Суточное количество теплоты на выработку электроэнергии, кДж/сут 77 616 000

9 Годовая произведенная электроэнергия, кВт • ч/год 7 869 400

10 Мощность двигателя, кВт 898

11 Принятое утилизированное тепло при когенерации, % 30

12 Суточное количество тепла, утилизированного в тепловом контуре, кДж/сут 72 765 000

13 Количество тепла, используемого на обогрев метантенков, с учетом коэффициента 0,3, кДж/сут 21 829 500

14 Количество тепла на продажу, кДж/сут 50 935 500

15 Количество тепла на продажу, кВт • ч/сут 14 150

16 Годовое количество тепла на продажу, кВт • ч/год 5 164 293

17 Годовое количество тепла на продажу с учетом отсутствия потребителей тепловой энергии в году в течение трех месяцев, кВт • ч/год 3 873 322

18 Общее годовое количество выработанной энергии, кВт • ч/год 11 742 722

19 Соотношение между электрической и тепловой энергией 0,67-0,33

20 Стоимость 1 Гкал тепла, руб. 2500

21 Стоимость 1 кВт • ч тепла, руб./кВт • ч 2,2

22 Стоимость 1 кВт • ч электроэнергии, руб./кВт • ч 6

23 Стоимость обобщенной выработанной энергии исходя из соотношения 0,67-0,33 (6 • 0,67 + 2,2 • 0,33) руб./кВт • ч 4,746

24 Годовой доход от производства энергии, руб./ год 55 730 958

25 Эксплуатационные затраты, руб./год (обслуживание - 1 200 000, заработная плата -6 240 000, биоресурсы - 4 607 000, амортизация - 6 000 000) 18 047 000

26 Себестоимость выработки обобщенной энергии, руб./кВт • ч 1,53

27 Стоимость проекта с установкой оборудования и монтажом, руб. 98 680 000

28 Годовой экономический эффект проекта без учета стоимости удобрения, руб. [((4,746 - 1,53) - 0,15 • 98 680 000/11 742 722) • 11 742 722] 22 962 594

29 Срок окупаемости, год (98 680 000/22 962 594) 4,29

30 Цена гумуса, руб./т 5000

31 Цена жидкого удобрения, руб./т 140

32 Годовая выработка гумуса, т 4197

33 Годовая выработка жидкого удобрения, т 23 791

34 Годовой доход от продажи гумуса, руб./год 20 985 000

35 Годовой доход от продажи жидкого удобрения, руб./год 3 330 740

36 Суммарный годовой доход от продажи удобрения, руб./год 24 315 740

37 Доход от продажи удобрений, отнесенный к 1 кВт • ч энергии, руб. 2135

38 Стоимость обобщенной выработанной энергии с учетом продажи удобрения, руб./кВт • ч 6881

39 Годовой экономический эффект с учетом стоимости удобрений, руб. 48 039 475

40 Срок окупаемости проекта с учетом продажи удобрений, год 2,05

Представленный расчет наглядно показывает выгоду использования биогаза на предприятиях Камчатского края.

Литература

1. http://www.teplo.sibmetal.ru/gran.html

2. http://www.eco-en.ru/bay/

3. http://othodoff.net/page987744

4. http://zorg-ru.com