Энергетическая эффективность технологической схемы производства биогаза с использованием гидравлического перемешивания Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

Караева Юлия Викторовна

канд. техн. наук, ст. науч. сотр., Академэнерго, г. Казань

E-mail: julieenergy@list. ru Трахунова Ирина Александровна

мл. науч. сотр., Академэнерго,г. Казань E-mail: irseen2@yahoo. com

ENERGY EFFICIENCY THE BIOGAS PRODUCTION FLOW CHART INCLUDING HYDRAULIC MAXING

Yulia Karaeva

Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher Akademenergo, Kazan

Irina Trakhunova Junior Researcher Akademenergo, Kazan

Работа выполнена при финансовой поддержке стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики № СП-2442.2012.1

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрена технологическая схема процесса метанового брожения с модифицированным гидравлическим способом перемешивания. Проведена оценка энергетической эффективности метантенка, а также технологической схемы производства биогаза в целом на основании методики теплового и термодинамического анализа.

ABSTRACT

The flow chart of an anaerobic digestion using a modify hydraulic maxing is considered in this paper. Energy efficiency the biogas production flow chart is estimated basing on procedure of thermal and thermodynamic analysis.

Ключевые слова: метантенк; тепловой и эксергетический анализ; эффективность.

Keywords: digester; heat and energy analysis; efficiency.

Получение тепловой и электрической энергии на установках, использующих возобновляемые источники энергии, является одним из перспективных направлений развития мировой энергетики. Одним из таких направлений является анаэробная переработка органических отходов с получением биогаза.

Одним из факторов, обеспечивающим эффективное протекание процесса, является перемешивание органического субстрата в метантенке.

Перемешивание должно обеспечивать равномерное распределение

микроорганизмов-метаногенов по объему реактора, а также быть достаточно деликатным, чтобы не привести к гибели микроорганизмов. При проектировании системы перемешивания также необходимо учесть

возможность выпадения осадка на дно реактора, расслоение субстрата и образование корки на поверхности сбраживаемого сырья, препятствующей выходу биогаза.

В работе рассмотрена технологическая схема процесса метанового брожения с модифицированным гидравлическим способом перемешивания. Перемешивание в метантенке осуществляется рециркуляцией субстрата через два подводящих и один отводящий патрубок. Биомасса под давлением, с помощью насоса, подается через первый подводящий патрубок в придонную область метантенка, препятствуя образованию осадка, и через второй подводящий патрубок — на уровень зеркала жидкости. На выходе верхнего патрубка может располагаться аксиально-лопаточный закручиватель (АЛЗ), для изменения направления вектора скорости таким образом, чтобы увеличить воздействие на свободную поверхность и еще более уменьшить возможность образования корки.

Технологическая схема метанового брожения с системой гидравлического перемешивания представлена на рис.1. Субстрат насосом 1 подается для подогрева до температуры сбраживания в теплообменник 2. Перемешивание субстрата в метантенке 3 осуществляется гидравлическим способом с помощью

циркуляционного насоса 4. Поддержание температуры сбраживания в метантенке происходит за счет применения интенсифицированного выносного теплообменника 5. Получаемый в процессе метанового сбраживания биогаз компрессором 6 нагнетается в газгольдер среднего давления 7. Далее биогаз подается в ДВС мини-ТЭС 8. Теплота отработанных газов в котле-утилизаторе 9 передается теплоносителю из обратной системы теплоснабжения.

Рисунок 1. Технологическая схема метанового брожения биоотходов с системой гидравлического перемешивания:

1 — фекальный насос; 2 — теплообменник типа «труба в трубе» 3 — метантенк, объем 250 м ; 4 — циркуляционный насос; 5 — теплообменник; 6 — компрессор; 7 — газгольдер; 8 — мини-ТЭС; 9 — котел-утилизатор.

В качестве примера рассмотрена технологическая схема производства биогаза на свиноводческом комплексе Республики Татарстан с количеством свиней на откорме 1846 голов (с массой до 70 кг).

Результаты теплового и термодинамического анализа Методика теплового расчета изложена в [1]. Тепловой КПД для схем вычисляется по формуле:

О’ + О

^г.в. ^эл

Пі =

(1)

Опод1 + Опод2 + Об + Ов + О-'в.

где: О' — количество теплоты, отводимой из котла-утилизатора с горячей сетевой водой;

Оэл — электроэнергия, вырабатываемая в схеме;

О — среднее количество теплоты, передаваемое субстрату в единицу времени в процессе непрерывного подогрева от t'c до t';

О — среднее количество теплоты, передаваемое субстрату в процессе метанового брожения в резервуаре;

Е' — теплота биогаза, полученного в резервуаре и подаваемого в ДВС;

О — теплота воздуха, подаваемого в ДВС;

ОС — количество теплоты, подведенной с горячей сетевой водой к котлу-утилизатору.

В таблице 1 приведены результаты теплового расчета.

Таблица 1.

Количество потребляемой теплоты и тепловая эффективность _____________технологических схем производства биогаза________________

Вид оборудования Количество потребляемой теплоты, кВт Тепловой к.п.д.

Зимний период Летний период Зимний период Летний период

Т еплообменник 39.09 28.17 0.66 0.72

Метантенк 240.31 202.12 0.13 0.48

Мини-ТЭС 233.81 240.95 0.88 0.86

Котел-утилизатор 63.32 58.63 0.90 0.95

В целом по схеме 576.52 529.86 0.80 0.84

Результаты теплового анализа показывают, что наиболее энергоемким элементом схемы является метантенк, тепловой КПД этого аппарата в зимний период составляет 13 %. В летний период тепловой КПД метантенка увеличивается на 35 %. В зимний период общий КПД схемы составляет 80 %, а в летний — 84 %.

Значения параметров потоков, полученные в результате теплового расчета, а также данные по затратам электрической энергии на привод механизмов и гидравлическому сопротивлению основных аппаратов и транспортирующих участков являются исходными данными для более глубокого анализа работы технологических схем производства биогаза.

Термодинамический анализ является одним из известных методов исследования различных технологических и энергетических процессов.

Формула для определения эксергетического КПД всей схемы имеет следующий вид [1]:

п =_____________________ЕЫ + Ь ,___________________

Тето + Тер + еС ++ Уеку

вх вх возд под вх

(2)

где: ЕКУЫХ — эксергия отводимая от котла-утилизатора сетевой водой;

^ — электрическая мощность мини-ТЭС;

Те™ — суммарная эксергия подводимая к теплообменному аппарату сетевой водой и субстратом;

Тервх — суммарная эксергия подводимая к метантенку;

Е'с — эксергия воздуха на входе в мини-ТЭЦ;

-тоа — подводимая электрическая мощность;

ТеКЫ — суммарная эксергия подводимая к котлу-утилизатору

продуктами сгорания и сетевой водой.

Результаты термодинамического анализа представлены в таблице 2. Наименее энергоемким элементом схемы с термодинамической точки зрения является метантенк, что объясняется учетом химической составляющей эксергии органических веществ.

Таблица 2.

Результаты термодинамического расчета для технологических схем

Вид оборудования Количество подведенной эксергии, кВт П

Зимний период Летний период Зимний период Летний период

Т еплообменник 51.46 34.46 0.47 0.54

Метантенк 276.65 261.34 0.69 0.73

Мини-ТЭС 246.31 249.63 0.44 0.41

Котел-утилизатор 121.32 71.80 0.30 0.36

В целом по схеме 695.74 617.23 0.18 0.20

Термодинамический анализ показал, что эксергетический КПД технологической схемы с гидравлической системой перемешивания в летний период составляет 20 %, в зимний период — 18 %.

Заключение

Проведен тепловой и термодинамический анализ технологической схемы метанового брожения с модифицированной системой гидравлического перемешивания.

Список литературы:

1. Назмеев Ю.Г. Мазутные хозяйства ТЭС. — М.: издательство МЭИ, 2002. — 612 с.