Энергонезависимая установка для переработки органических отходов животноводства

УДК 631.1.004.18:636.22/28

ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА

А.А. Ковалев

В работе приведены основные зависимости теплового расчета биогазовой установки. Показана технологическая схема использования компрессионного теплового насоса в системе теплоснабжения биогазовой установки блочно-модульной конструкции. Показано, что использование блочно-модульной конструкции биогазовых установок с применением рекуперации теплоты эффлю-ента способно значительно повысить энергетическую эффективность их использования в сельском хозяйстве.

Ключевые слова: компрессионный тепловой насос (КТН), биогазовая установка, рекуперация теплоты.

Интенсификация животноводства создает проблему обработки и использования отходов, поскольку они имеют высокую биологическую активность и содержат значительное количество микроорганизмов и семян сорняков. Для переработки и обеззараживания отходов животноводства наибольшее распространение получают биогазовые установки, которые обеспечивают переработку отходов с получением удобрений и биогаза.

Технология анаэробной переработки органических отходов позволяет наиболее рационально и эффективно конвертировать энергию химических связей органических отходов в энергию газообразного топлива (биогаз) собственного производства с получением высокоэффективных органических удобрений. Производство биогаза позволяет предотвратить выброс метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2 и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления. Произведенный биогаз может быть направлен в энергетические установки для выработки электроэнергии и тепла.

Кроме того, биогазовая установка решает проблему утилизации органических отходов и очистки сточных вод. Переработанные органические отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве, что позволяет снизить применение химических удобрений. За счет этого сокращается нагрузка на грунтовые воды.

Однако, несмотря на положительные стороны анаэробной обработки органических отходов, она имеет существенный недостаток - для обеспечения температурного режима в биогазовой установке требуется значительное количество выработанного биогаза (до 50%).

Одним из способов повышения энергетической эффективности биогазовых установок является использование тепловой насосов для рекуперации тепла эффлюента в системе теплоснабжения.

Нами была рассмотрена система обработки органических отходов в количестве 25 м /сут., основанная на их анаэробной обработке в блоках-модулях биогазовой установки, разработанных лабораторией Биоэнергетических установок ГНУ ВИЭСХ, с системой теплоснабжения, включающей в себя компрессионный тепловой насос.

Эффективное производство энергии на установке для переработки органических отходов животноводства, согласно [3,4], возможно лишь в случае, когда суммарная энергия полученного биогаза будет значительно превышать расходы энергии на его производство, т.е. должно выполняться условие

_^_>>1 т

где Уг - общее количество полученного биогаза, м3/сут.; X - теплотворная способность биогаза, кДж/м ; ЕСН - расход электроэнергии на собственные нужды установки, кВт*чэлэн; гэл - к.п.д. преобразовании энергии биогаза в электроэнергию; Qcн - расход тепловой энергии на собственные нужды установки, кВт*чтэн; ] т - к.п.д. преобразовании энергии биогаза в тепловую энергию.

Количество товарной (неиспользованной на собственные нужды установки) энергии [кВт* чэлэн., кВт* чтэн] может быть представлено как

-т! + Ът/ =Ъ±_ (Есн/г + Ъсн/ ) ^

' Чэл ' Чт 3600 \ ' '/ЭЛ ' '/т /

Расход тепловой энергии на собственные нужды установки равен:

Ъсн = Ън+Ък - Ър

где Qн - расход энергии на предварительный нагрев субстрата до температуры брожения, кВт*чтэн; QК - суточный расход энергии на компенсацию теплопотерь от ограждающих конструкций и трубопроводов, кВт*чтэн; QР - количество рекуперированной энергии, кВт*чтэн..

Расход тепла на предварительный нагрев субстрата [кВт*чтэн] определяется как

_ сн*рн*УН*(т н-Тг)*п

Ън 2 4* 3 б о о

где Сн - теплоемкость субстрата, кДж/(кг 0С); рн - плотность субстрата, кг/м ; Ун - суточная доза загрузки, м /сут; ТН - конечная температура нагрева субстрата, 0С; Т1 - исходная температура субстрата, 0С; п - число часов работы теплового насоса в сутки, ч/сут.

Среднесуточный расход тепла [кВт*чтэн], необходимый для компенсации теплопотерь через ограждающие поверхности биореактора при среднегодовой температуре наружного воздуха

Ък = к*Р *

2

где к - коэффициент теплопередачи, Вт/м К; F - площадь ограждающих поверхностей биореактора, м2; TH - температура субстрата в биореакторе,0С; TB - температура наружного воздуха, 0С.

Максимальное суточное количество низкопотенциального тепла эф-флюента [кВттэн]:

q тах _ Сн*Рн*vh*(Тн~тох min)*1 0 ~3 ^ч

^eff 24*3600 ( 6

где ТОХ min - температура эффлюента в отстойнике, необходимая для прекращения остаточного газовыделения, 0С.

Среднесуточное количество рекуперируемого тепла [кВт*чтэн]:

0<QP< Qef fmах *{jzi)*n

где s - коэффициент преобразования теплового насоса с учетом изоэн-тропического и механического к.п.д. компрессора теплового насоса.

Энергонезависимая установка для переработки органических отходов животноводства состоит из емкости предварительного нагрева, в котором смонтирован теплообменник; блока-модуля с внутренним теплообменником для поддержания температурного режима сбраживания и выгрузными устройствами, которые связанны с отстойником эффлюента. Теплота из блока утилизации теплоты от ДВС в зимний период (с декабря по февраль включительно) используется для компенсации тепловых теплопотерь через ограждающие поверхности биореактора (компрессионный тепловой насос работает только на предварительный нагрев субстрата), а летний период - для нужд потребителей.

В отстойнике эффлюента смонтирован теплообменник для отбора тепловой энергии от эффлюента. Теплообменник посредством трубопроводов соединен с испарителем теплового насоса. В испарителе теплового насоса происходит теплообмен между подготовленной водой и низкопотенциальным хладагентом, который после повышения энергетического потенциала в компрессоре теплового насоса направляется в конденсатор теплового насоса.

Теплообменник, расположенный в емкости предварительного нагрева, посредством трубопроводов соединены с конденсатором теплового насоса. В конденсаторе теплового насоса происходит теплообмен между высокопотенциальным хладагентом и подготовленной водой, которая затем направляется в теплообменник, расположенный в емкости предварительного нагрева, где происходит теплообмен между подготовленной водой и инфлюентом, в результате чего инфлюент нагревается до рабочей температуры процесса сбраживания и поочередно подается в блоки-модули.

Система теплоснабжения, включая теплообменники и трубопроводы, заполнена подготовленной водой. Подготовленная вода - химически умягченная с помощью комплексонов вода, применяемая для предотвращения выпадения накипи и железистых отложений, а также образования коррозии на стенках трубопроводов и оборудования. Весь выработанный биогаз используется в ДВС для привода электрогенератора и компрессионного теплового насоса.

В процессе расслоения обработанного субстрата в отстойнике эффлюента сгущенная фракция эффлюента скапливается в нижней (осадочной) части аппарата. Из-за значительной концентрации анаэробных метаногенных микроорганизмов и наличия остаточного органического вещества субстрата в осадочной части развивается анаэробный процесс с выделением биогаза.

Всплывающие пузырьки биогаза являются причиной резкого падения интенсивности процесса расслоения обработанного субстрата, так как развивается процесс встречного переноса твердой фазы за счет биофлотации. Размещение в нижней части отстойника эффлюента охладителя эффлюента приводит к резкому снижению температуры осажденной биомассы и, как следствие, к соответствующему снижению остаточного газовыделения. В результате сокращается продолжительность процесса разделения эффлюента на фракции.

Технологическая схема установки приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Технологическая схема энергонезависимой установки для переработки органических отходов животноводства: 1 - емкость предварительного нагрева; 2 - насос

загрузки; 3 - блок утилизации теплоты от ДВС; 4 - насос циркуляции теплоносителя; 5 - теплообменник блока-модуля; 6 - анаэробный биореактор; 7 - отстойник эффлюента;

8 - насос перемешивания субстрата; 9 - компрессионный тепловой насос; 10 - теплообменник-охладитель; 11 - теплообменник-нагреватель; 12 - ДВС; 13 - электрогенератор

Исходные данные для расчета:

-5

• объем отходов - 25 м /сут;

• расположение в Московской области;

-э

• биореактор - блок-модуль объемом 60 м ,

л

• площадь ограждающих поверхностей блока-модуля F = 90 м ;

• теплоизоляция блока-модуля - минеральная вата толщиной 300 мм;

• коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций биореактора к = 0,136 Вт/м2К;

• режим работы биореактора - термофильный при температуре субстрата в биореакторе ТН = 550С;

• субстрат - бесподстилочный навоз КРС влажностью 95%, с теплоемко-

0 3

стью СН = 4,06 кДж/(кг К), плотностью рн = 1020 кг/м , исходной температурой Тг = 100С;

• температура эффлюента в отстойнике, необходимая для прекращения остаточного газовыделения ТОХ тЫ = 70С;

• температура наружного воздуха Тв = 4,10С;

• теплотворная способность биогаза X = 21500 кДж/м .

По исходным данным получаем:

- суточная доза загрузки одного модуль-блока Ун = 6,25 м /сут;

- общее количество полученного биогаза Уг = 320 м /сут;

- расход тепла на предварительный нагрев субстрата

0>н = 1294,125 кВт*чтэн;

- среднесуточное количество тепла, необходимое для компенсации теп-лопотерь через ограждающие поверхности биореактора

0>К = 66,455 кВт*чтэн;

- максимальное суточное количество низкопотенциального тепла эффлю-ента дэффтах = 1380,4 кВт*чтэн.

В таблице 1 приведены расчетные выходы товарной энергии с учетом расходов энергии на собственные нужды установки для переработки органических отходов животноводства на основе блоков-модулей с системой теплоснабжения, включающей в себя компрессионный тепловой насос с непосредственным приводом от ДВС.

Таблица 1. Энергетические показатели энергонезависимой установки для переработки органических отходов животноводства по среднегодовым температурам

Параметр Ед. изм. Значения

Qн- количество тепловой энергии на предварительный нагрев субстрата до температуры брожения кВт*чтэн. 1294,125

Qк - количество тепловой энергии на компенсацию теплопотерь от ограждающих конструкций и трубопроводов кВт*чтэн. 72,908

Qр - количество рекуперированной тепловой энергии кВт*чтэн. 1553,4

Qсн -количество тепловой энергии на собственные нужды* кВт*чтэн. 1367,033

Есн - количество электроэнергии на собственные нужды кВт*чэлэн. 286

Qт -количество товарной тепловой энергии кВт*чтэн. 926,798

Ер - количество товарной электроэнергии кВт*чэлэн. 132,8

* - показано как сумма количеств тепловой энергии на предварительный нагрев субстрата до температуры брожения и на компенсацию теплопотерь от ограждающих конструкций и трубопроводов.

Применение блочно-модульной конструкции биогазовой установки позволит:

1. Интенсифицировать тепло и массообмен в реакторах-модулях, что в свою очередь приведет к повышению производительности по сравнению с традиционными метантенками.

2. Оперативно управлять важнейшими показателями оптимальных условий жизнедеятельности микробного сообщества в реакторном пространстве, что приведет к повышению устойчивости системы к внешним воздействиям.

3. Сократить капитальные затраты на строительство и обеспечить высокое качество изготовления и монтажа оборудования.

Применение компрессионного теплового насоса с непосредственным приводом от ДВС в системе теплоснабжения установок для переработки органических отходов животноводства на основе блочно-модульных биореакторов позволит:

1. Значительно сократить затраты на собственные нужды, что, в конечном счете, приведет к существенному увеличению объемов товарного биогаза.

2. Обеспечить независимость установки для переработки органических отходов животноводства от тепловых и электрических сетей внешних источников энергоснабжения.

3. Увеличить объемы выработки тепловой и электрической энергии.

4. Сократить время осаждения обработанного субстрата за счет его интенсивного охлаждения в отстойнике эффлюента.

Литература:

1. Отчет лаборатории биоэнергетических установок ГНУ ВИЭСХ РАСХН за 2006-2010 годы.

2. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1982.

3. Сельскохозяйственная биотехнология / В.С. Шевелуха [и др.]. М.: Высш. шк., 2008.

4. Сравнительные показатели тепловых насосов в системе теплоснабжения биогазовых установок / А.А. Ковалёв [и др.] // Механизация и электрификация сельского хоз-ва. 2012. №4.

5. Гюнтер Л.И., Гольдфарб Л.Л. Метантенки. М.: Стройиздат, 1991.

6. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика. М.: Колос, 1982.

Ковалев Александр Андреевич, инженер

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Тел. 8-499-170-51-01 E-mail: viesh@dol.ru

The paper presents the main dependence of the thermal calculation of biogas installation. Shown a technological diagram of a compression heat pump used in heating system biogas installation of a modular design. It is shown that the use of modular construction of biogas plants with using heat recovery effluent can significantly improve the energy efficiency of their use in agriculture.

Keywords: the compression thermal pump (СТР), biogas installation, heat recovery.