Особенности систем теплоснабжения биогазовой установки на животноводческих комплексах

УДК 621.181

ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ БИОГАЗОВОИ УСТАНОВКИ НА ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ

© 2008 г. С.М. Биркин, Т.В. Ефремова

Современные системы теплоснабжения способны точно и надежно поддерживать требуемые параметры технологических процессов, достигается это использованием регулирующих и смесительных клапанов, датчиков контроля и другого автоматического оборудования [1-6]. Однако основным критерием надежности и качества систем остается точный подбор тепло-обменных поверхностей и схем их подключения к общей тепловой сети.

Применение теплоутилизаторов позволяет значительно снизить затраты на теплоснабжение биогазовой установки (БГУ). Теплоснабжение БГУ может быть осуществлено: по однотрубной (рис. 1) и двухтрубной (рис. 2) схемам.

Основное отличие предлагаемых схем от существующих (рис. 1) является теплоснабжение приемного резервуара в холодный период года до загрузки в

биореактор для поддержания требуемой температуры (плюс 5 °С). Это техническое решение обосновывается цикличностью загрузки биореакторов и значительным сроком хранения исходного сырья между загрузкой-выгрузкой. Отсутствие предварительного подогрева свежего субстрата приводит к значительным колебаниям температур внутри реактора, зависящих от дозы загрузи и режима сбраживания. Колебания температур в этом случае находятся в пределах от 2,1 °С (мезофильный режим) до 7,5 °С (термофильный режим). Для предотвращения таких колебаний требуется предусматривать ступень предварительного подогрева.

Благодаря применению теплоутилизаторов можно снизить колебание температур внутри реактора до величин 1,3-4,4 °С, что позволяет исключить дополнительную ступень подогрева.

Т =5-10 °C

-ВЗ^техническая

Рис. 1. Принципиальная однотрубная схема теплоснабжения БГУ с применением утилизации тепла сброженного субстрата: 1 - помещение для содержания животных; 2 - приемный резервуар; 3 - система обогрева приемного резервуара; 4 - теплообменники-теплоутилизаторы; 5 - биореактор; 6 - система обогрева биореактора; 7 - влагоотделитель; 8 - хранилище переработанного субстрата; 9 - очистные сооружения оборотной воды; 10 - котельная

Рис. 2. Принципиальная двухтрубная схема теплоснабжения БГУ с применением утилизации тепла сброженного субстрата. Обозначения аналогично рис. 1

В момент загрузки в биореактор свежий субстрат поступает предварительно в теплоутилизатор, где происходит его подготовка в течение 1 ч. За это время он подогревается до t = 17 - 19 оС (мезофильный режим) или t = 26 - 29 оС (термофильный режим). Свежий субстрат поступает в биореактор с температурой, не соответствующей режиму сбраживания. При этом происходит понижение температуры внутри реактора на 1,5 - 2,0 оС (для мезофильного режима). Система обогрева реактора рассчитывается таким образом, чтобы обеспечивать догрев биомассы в течение цикла работы установки до расчетной температуры. В этом случае колебание температуры находится в пределах 2 оС и не влияет на процесс переработки.

Основное различие предлагаемых схем заключается в том, что для двухтрубной системы (см. рис. 2) обогрев резервуара осуществляется от общей магистрали. Это обеспечивает большую теплоотдачу системы обогрева резервуара и более точное поддержание температуры. При обогреве по однотрубной схеме (см. рис. 1) температура в резервуаре зависит от температуры в биореакторе. В связи с этим требуется более точный расчет поверхностей нагрева системы. Использование однотрубной схемы представляется более приемлемым для крупных животноводческих комплексов, располагаемых в районах с более низкой расчетной температурой. Двухтрубную схему более рационально применять для небольших и средних

комплексов, так как они требуют более точного регулирования из-за меньших габаритов и малой инерционности.

Предлагаемые схемы могут быть видоизменены при подключении теплообменника предварительного подогрева (рис. 3 и 4), что предпочтительно для регионов с низкими расчетными температурами, а также для крупных животноводческих комплексов. Установка предподогревателя может служить также для уменьшения нагрузки на систему обогрева биореактора.

Наиболее оптимальным представляется количественное регулирование отпуска тепла в связи с ограничением температуры контактной поверхности.

Изменение параметров теплоносителя зависит от выбора системы обогрева реактора и от режима сбраживания.

На основании изучения цикличного режима работы теплоутилизатора для повышения эффективности предлагается использовать один рабочий теплообменник, оставляя второй как резервный на случай остановки первого. Это позволяет увеличить периодичность загрузки теплообменника в два раза и снизить потери в окружающую среду во время простоя. Данная схема (рис. 5) дает возможность повысить температуру поступающего субстрата до 18,4 оС и снизить затраты на обогрев дополнительно на 4 - 5 %.

Рис. 3. Принципиальная двухтрубная схема теплоснабжения БГУ с применением утилизации тепла сброженного субстрата и предподогревателем: 1 - 10 - рис. 1; 11 - предподогреватель загружаемого субстрата

Рис. 4. Принципиальная однотрубная схема теплоснабжения БГУ с применением утилизации тепла сброженного субстрата и предподогревателем: 1 - 11 аналогично рис. 3

Рис. 5. Усовершенствованная схема теплоснабжения БГУ с мезофильным режимом работы. Обозначения аналогично рис. 1. 4, 4а - рабочий теплоутилизатор; 4б - резервный

Рекомендуемые схемы теплоснабжения БГУ животноводческих комплексов

Климатический район по [4] Тип комплекса

Крупные Средние Небольшие хозяйства

1Д Двухтрубная с утилизацией тепла сброженного осадка по схеме рис. 5, с предподогревателем

IB Двухтрубная с утилизацией тепла сброженного осадка по схеме рис. 5, с предподогревателем

IIB Двухтрубная или однотрубная, с утилизацией тепла сброженного осадка по схеме рис. 5, с предподогревателем

IIIB Двухтрубная или однотрубная, с утилизацией тепла сброженного осадка, с предподогревателем

ШБ Двухтрубная или однотрубная, с утилизацией тепла сброженного осадка

Основным теплоносителем для теплоснабжения систем обогрева БГУ является горячая вода. Однако можно применять и другие теплоносители, например, перегретый или насыщенный пар.

Встречающиеся в литературе предложения по применению для обогрева дымовых газов являются технически не оправданными и малоэффективными и не могут рассматриваться как перспективные в связи с малой теплоемкостью дымовых газов и ограничений по температуре поверхности контакта.Схемы теплоснабжения БГУ животноводческих комплексов, включающих в себя обогрев приемного резервуара в холодный период года, позволяют обеспечить:

- надежность системы загрузки (исключить замораживание), при минимальных затратах энергии;

- стабильность работы теплоутилизаторов на заданном уровне;

- точный подбор теплообменных поверхностей на всех этапах работы БГУ.

Выбор схемы теплоснабжения БГУ животноводческого комплекса зависит от размера самого комплекса

и климатических условий размещения. Рекомендуемые схемы теплоснабжения представлены в таблице.

Литература

1. Мариненко Е.Е. Основы получения и использования биотоплива для решения вопросов энергосбережения и охраны окружающей среды в жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве: Учеб. пособие / ВолгГАСА. Волгоград, 2003. 100 с.

2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., 1973.

3. Мариненко Е.Е. Биогаз и его рациональное использование

в тепловых установках: Дис. ... канд. техн. наук. Л., 1991.

4. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология.

5. Мариненко Е.Е., Комина Г.П. Экологические аспекты использования биогаза в СССР и за рубежом. М., 1990.

6. Бердыев О. Экспериментальное исследование теплообмена в установках по выработке биогаза. Дис. . канд. техн. наук. Ашхабад, 1989.

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет 21 января 2008 г.