CC BY
22ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ
ENERGY AND ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 25.05.12. Ред. рег. № 1345 The article has entered in publishing office 25.05.12. Ed. reg. No. 1345
УДК 62.665.9
ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ЖИВОТНОВОДСТВА И ПТИЦЕВОДСТВА НА ЭНЕРГОНОСИТЕЛЯХ
СОБСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
И.Ю. Долгов
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2
Тел.: (499) 171-19-20, факс: (499) 170-51-01 E-mail: viesh@dol.ru, d89163950310@yandex.ru
Заключение совета рецензентов: 10.06.12 Заключение совета экспертов: 20.06.12 Принято к публикации: 03.07.12
Выполнен энергетический анализ систем энергоснабжения сельскохозяйственных объектов животноводства и птицеводства на энергоносителях собственного производства - навозе и помете, из которых одновременно могут производиться высококачественные удобрения. На основании обобщенной структурной схемы и расчетов этих систем и объектов показано, что синтез-газовые энергоустановки, в отличие от биогазовых, могут полностью обеспечить их тепло- и электроснабжение, используя примерно 57% навоза, 24% помета, без привлечения каких-либо других энергоносителей. При этом до 87% навоза и до 78% помета могут использоваться для выработки высококачественных удобрений, которые позволят поддерживать плодородие значительно большего количества земель, чем при применении традиционных удобрений. Энергоснабжение и производство удобрений в рассмотренных системах могут осуществляться в соответствии с самыми высокими экологическими требованиями и позволят, при массовом их использовании в условиях России, до 3 раз уменьшить потребление традиционных энергоносителей (газа, угля, жидкого топлива, электроэнергии) в стационарных объектах сельхозпроизводства.
Ключевые слова: навоз, помет, удобрения, биогаз, синтез-газ, тепловая энергия, электроэнергия, мощность, когенерацион-ная теплоэлектростанция, тепловой насос, установка, теплогенератор, система энергоснабжения, удобрительная ценность, экология.
ENERGY AND ENVIRONMENT OF AUTONOMOUS SUPPLY SYSTEMS FOR AGRICULTURAL LIVESTOCK FACILITIES AND AVICULTURE BY ENERGY CARRIER OF THEIR OWN PRODUCTION
I.Yu. Dolgov
All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture 2, l-st Veshnyakovski pas., Moscow, 109456, Russia Tel.: (499) 171-19-20, fax: (499) 170-51-01 E-mail: viesh@dol.ru, d89163950310@yandex.ru
Referred: 10.06.12 Expertise: 20.06.12 Accepted: 03.07.12
Completed analysis of energy supply systems for agricultural livestock and poultry facilities on energy proper production respectively manure and litter both of which can produce high quality fertilizer. Based on the generalized structural diagrams and calculations of these systems and objects is shown that the synthesis gas power plants in contrast to the biogas can provide a fully-chit of heat and electricity of about 57% of manure, 24% litter without invoking any other energy. 87% of the manure and 78% a litter can be used to produce high-quality convenient measurements that will maintain the fertility of a much lager land than with traditional fertilizer. Energy and service the mapping and the production of fertilizer in examined systems can be carried out in accordance with the highest environmental requirements and will if the mass of the air in Russia up to 3 times desew the consumption of traditional energy sources (gas, coal, fuel oil, electricity) in stationary object of agriculture production.
Keywords: manure, biogas, fertilizer, synthesis gas, heat, electricity, power, heat and power cogeneration, heat pump, installation, heat generator, power supply system, fertilizer value, ecology.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (113) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Животноводство (животноводческие комплексы, фермы) и птицеводство (птицефабрики) являются основными энергопотребляющими отраслями сельскохозяйственного производства, на которые приходится до 68% от общего потребления энергоносителей в сельском хозяйстве России (без учета энергопотребления жидкого топлива машинно-тракторным парком и транспортом), т.е. от общего энергопотребления стационарных сельхозобъектов [1]. Сельхозобъекты животноводства (ОЖ) и птицеводства (ОП) относятся к особому классу объектов энергоснабжения, характерными особенностями которых являются:
- Производство основных (базисных) видов продукции животного происхождения, используемых для выработки продуктов питания: молока, мяса, яиц и сопутствующих продуктов: шкур, пуха, шерсти, костной муки и т. п.
- Потребление низкотемпературной (низкопотенциальной) теплоты, расходуемой преимущественно на воздушное отопление и водонагрев, с изменяющейся в течение времени т суток и года тепловой нагрузкой (теплопотоком), тепловой мощностью бт(т) [2-7].
- Потребление электроэнергии с изменяющимся в течение времени т суток и года ее потоком - электрической мощностью Рэ(т) [2-7].
- Выделение животными и птицами потока теплоты 0ж(т) и потока продуктов жизнедеятельности -экскрементов: навоза и помета с энергосодержанием в единицу времени - энергопотоком ^нав,пом(т)/т, являющимся энергоносителем собственного производства и являющимся одновременно основным сырьем для производства органических удобрений, необходимых для агротехнических условий сохранения плодородности земель сельхозназначения [2-7].
- Сильная зависимость продуктивности от микроклимата в помещениях содержания животных, птицы, определяемого температурой, влажностью и кратностью воздухообмена, обуславливающая наличие крупных теплопотерь с воздухом приточно-вытяжной вентиляции - с тепловой мощностью 2вв(т). Наличие больших теплопотерь с канализационными стоками ^кс(т)/т [2-4, 6].
- Определяющее влияние на производительность продукции ОЖ и ОП качества кормов - энергопотока ^корм(т)/т, необходимых в соответствии с зоологическими требованиями величин солнечного ^псол(т)/т или искусственного светового потока энергии ^св(т)/т, воды ^Вод(т)/т, воздуха 0ш(т) [2-4, 6]. Основными элементами (составными частями) систем энергоснабжения (СЭС) ОЖ и ОП являются различного вида теплогенераторы (ТГ) (котлы, емкостные и проточные водонагреватели, парогенераторы, проточные воздухонагреватели - калориферы), коге-нерационные теплоэлектростанции (КТЭС) совместной (жестко связанной во времени) выработки электроэнергии Рктэс(т) и теплоты бктэс(т), газоприводные (абсорбционные АБТН или парокомпрессионные с
электроприводом ПКТН или с приводом от двигателей внутреннего сгорания ПКТНТД) теплонасосные установки (ТНУ), трансформирующие теплоту окружающей среды Qп ос (т): теплопотоки воздуха, солнца, грунта земли, гидротермальной теплоты водоемов, рек, скважин, а также техногенные энергопотоки теплоты воздуха вытяжной вентиляции Qвв(т) и (или) теплоты канализационных стоков ^кс(т)/т в трансформированный теплопоток Qтну(т) с охлаждением воздушных или водяных энергопотоков соответственно до величин Qxвв(т) и ^хвод(т)/т, синтез-газовые СГУ и (или) биогазовые (БГУ) энергоустановки, перерабатывающие энергопоток ^нав,пом(т)/т, соответственно, в высококачественные биологические удобрения и в синтез-газ с энергопотоками №^,2,3сгу(т)/т или биогаз с энергопотоками ^123бгу(т)/т, используемыми для выработки электроэнергии и теплоты в системах энергоснабжения ОЖ и ОП с помощью указанных ТГ, ТНУ и КТЭС, а также всевозможные ветро-электростанции (ВЭС) с мощностью Рвэс(т), мини-гид-ро-электростанции (мини-ГЭС) с мощностью Рм-гэс(т), солнечные теплоэлектростанции (СТЭС) с электрической мощностью Рстэс(т) и тепловой мощностью Qстэс(т). На основании изложенного обобщенная стук-турная схема ОЖ и ОП с системами их энергоснабжения представляется в виде, показанном на рис. 1. На структурной схеме рис. 1 показаны также потоки традиционных первичных энергоносителей твердого топлива ^п.т.т(т)/т, газа или жидкого топлива ^п.гжт(т)/т, электроэнергии из электросетей Рэл с(т), энергопотоки теплоты Qп.ос(т), механической энергии ^пмех(т)/т, солнечной энергии ^псол(т)/т из окружающей среды, а также энергопотоки потерь СЭС ^потСЭС(т)/т и ОЖ, ОП ^потО(т)/т. В целях упрощения обозначений энергопотоков на рис. 1 и 2 символ (т) не указан.
Как следует из структурной схемы рис. 1, ОЖ, ОП с СЭС представляют собой связующее звено в обобщенной термодинамической системе выработки, распределения, потребления и трансформации энергии, в котором преобразуются разнообразные потоки энергии различной физической сущности [8].
Из обобщенной структурной схемы СЭС и ОЖ, ОП следует, что наиболее привлекательной по критерию энергонезависимости от традиционно применяемых энергоносителей (сетевая электроэнергия, магистральный газ, жидкое топливо, твердое топливо централизованной поставки - уголь, торф и т.п.) является реализация автономной СЭС с использованием биомассы (энергопотока ^нав,пом(т)/т), теплоты воздуха вытяжной вентиляции Qвв(т) и канализационных стоков ^кс(т)/т), т.е. энергопотоков собственной генерации ОЖ и ОП при потреблении необходимых для жизнедеятельности животных и птицы энергопотоков приточного воздуха QпВ(т), воды ^вод(т)/т, солнечного потока ^псол(т)/т (или искусственного светового потока ^св(т)/т, обеспечиваемого СЭС), энергии кормов ^корм(т)/т. В таком случае структура СЭС с ОЖ и ОП представляется в виде, показанном на рис. 2.
Система энергоснабжения ОЖ, ОП
Продукция (молоко, мясо, яйцо)
Рис. 1. Обобщенная структурная схема ОЖ, ОП, СЭС и их потоков энергии Fig. 1. A generalized block diagram of livestock facilities (LF), poultry facilities (PF), energy supply system (EES) and their energy flows
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (113) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Система автономного энергоснабжения ОЖ, ОП на энергоносителях собственного производства
Продукция (молоко, мясо, яйцо)
Рис. 2. Обобщенная структурная схема ОЖ, ОП с СЭС автономного самоэнергоснабжения на энергоносителях собственного производства Fig. 2. A generalized block diagram of LF, PF with autonomous EES on energy carrier of their own production
На структурной схеме рис. 2 символом ПГХ обозначено пусковое (стартерное) газохранилище, необходимое для запуска СЭС в эксплуатацию. Основным условием реализации такой СЭС является условие достаточности энергопотенциала биомассы для выработки необходимого количества электроэнергии и теплоты, потребляемой ОЖ, ОП, при необходимости с применением эффективной ее рекуперации с помощью ТНУ. Энергопотенциал биомассы
ОЖ, ОП зависит как от ее количества, так и от технологии содержания, кормления животных, птицы. Количество навоза, помета, мочи, теплоты и водяных паров, выделяемых крупным рогатым скотом (КРС -коровы, быки, телята), свиньями (хряки, свиноматки, свиньи на откорме) и птицы (более 95% птицеводческих предприятий - птицефабрики кур яичного или мясного-бройлерного направления), представлено в табл. 1 [2-5].
Энергозоологические характеристики животных и птицы Energy and zoological characteristics of animals and birds
Таблица 1 Table 1
Наименование животного, птицы Масса, кг Тепло, Вт-т Водяные пары, кг/час Навоз, помет, кг/сут Моча, дм3/сут
общее свободное
Нормы выделения на 1 голову при температуре 10 °С и влажности воздуха 70%
Коровы стельные и нетели за 2 мес. до отела 300 772 556 0,32 35 20
600 919 662 0,49
800 1391 1001 0,57
Коровы лактирующие при лактации
5 л 300 765 551 0,31 35 20
600 1174 845 0,48
10 л 300 823 593 0,34
600 1222 880 0,5
15 л 300 950 684 0,39
600 1329 957 0,55
Волы откормочные 400 1192 858 0,49 30 10
600 1450 1044 0,6
1000 2050 1476 0,84
Телята в возрасте, мес.
до 1 30 128 91,8 0,053 5 2
80 326 235 0,135
до 3 40 188 136 0,078 7 3
130 488 351 0,2
до 4 120 472 339 0,195 10 5
200 689 463 0,265
Молодняк 4 мес. и старше 120 412 296 0,17 12 6
350 833 599 0,34
Свиньи-хряки 100-300 343-601 246-432 0,142-0,25 11,1 (89%)
Свиноматки 100-200 281-893 203-645 0,117-0,37 8,8-13,3 (90-93%)
Поросята 10-40 100-196 72,4-142 0,041-0,081 2,4 (86%)
Свиньи на откорме 50-120 215-365 155-263 0,089-0,151 3,5-6,6 (86-87%)
Взрослые свиньи 100-300 369-643 265-463 0,153-0,267 11,0 (89%)
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (113) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Продолжение табл. 1
Наименование животного, птицы Масса, кг Тепло, Вт-т Водяные пары, кг/час Помет, кг/голову сут
общее свободное
Нормы выделения на 1 кг живой массы при температуре 16 °С
Куры взрослые яичные, родительское и промышленное стадо 1,5-1,7 9,92-13,1 6,83-9,18 0,0051-0,0058 0,24 (53%)
Куры мясные, родительское стадо 3,0-3,5 8,5 5,9 0,0052 0,29 (53%)
Нормы выделения на 1 кг живой массы при температуре 24 °С
Молодняк кур
яичные 0,25-1,6 17,9-10,7 14,2-7,4 0,0066-0,0048 0,03-0,21 (53%)
мясные 0,25-2,8 13,7-7,7 9,4-5,6 0,0063-0,0048 0,03-0,24 (53%)
Бройлеры (на мясо) 1,35 10,3 8,1 0,0033 0,13 (53%)
Примечание. 1 Втт (тепло) = 0,86 ккал/ч = 3,6 кДж/ч = Дж/с; (%) - влажность.
Животноводческие комплексы, фермы и фабрики имеют поголовье взрослого КРС от 400 до 2000 коров, молодняка КРС, выращиваемого на мясо - до 10 тыс. голов, свиней - до 108 тыс. в год [6], птицефабрики - поголовье кур-несушек до 1,6 млн и выше, поголовье бройлеров, выращиваемых на мясо, - 9,0 млн и выше [7]. С учетом указанного количества животных и птиц, содержащихся в ОЖ или ОП, ежесуточное количество навоза, помета, подлежащее переработке, обеззараживанию, хранению и применению в качестве удобрения в соответствии с нормативными требованиями [5], исчисляется десятками и сотнями тонн, вывозимыми в ряде случаев десятками грузовых автомашин, специальных транспортных средств. Таким образом, от надежности и качества работы систем удаления, обработки, обеззараживания, хранения и применения навоза, помета в качестве удобрения кардинальным образом зависит экологическая безопасность обширных территорий, расположенных непосредственно вблизи ОЖ, ОП. Любое нарушение работы указанных систем, что как правило, имеет место на значительных количествах ОЖ и ОП, приводит к загрязнению, заражению окружающей их местности и к значительному ущербу ее экологии [9]. Указанное связано, в первую очередь, с неприемлемым качеством хранилищ навоза, помета, невостребованностью его в должных количествах, особенно у птицефабрик, в ряде случаев не имеющих достаточных земель для растениеводства и продающих помет другим предприятиям. Практически все птицефабрики накапливают на близлежащих территориях помет, относящийся к 3 классу опасности по классификации отходов и являющийся опасным источником загрязнения окружающей среды [9]. В современных условиях в связи с резким повышением цен на энергоносители в большинстве стран с развитым сельским хозяйством нашли применение биогазовые энергоустановки, удовлетворяющие самым высоким экологическим требованиям и осуществляющие биологическую переработку навоза, по-
мета, всевозможных отходов сельхозпроизводства, включая растениеводство (образующих с ними биомассу), в высокоэффективные биологические удобрения и биогаз, по теплотворной способности близкий к природному магистральному газу [10-12], применяемый для выработки электроэнергии на КТЭС и теплоты на КТЭС и в ТГ. Наибольшее количество биогазовых установок эксплуатируется в Китае -около 18 млн по состоянию на 2006 год, на них производится около 7 млрд м3 биогаза в год, что позволило обеспечить топливом 60 млн крестьян [13]. Германия занимает лидирующее положение в Европе по применению биогазовых энергоустановок - около 4 тыс., по прогнозам, в 2020 году их число возрастет до 20 тыс. [11]. Следует особо отметить, что, согласно зарубежным и отечественным данным [10-11], биоудобрения, полученные в БГУ в виде анаэробно переброженной массы, разделенной на жидкую и твердую фракции, многократно превосходят по эффективности удобрения, выработанные из навоза и помета по традиционным технологиям. Расход биоудобрений на 1 га земли многократно меньше и составляет 1-5 тонн вместо 60 тонн удобрений, произведенных из навоза или помета по традиционным технологиям, при этом одновременно обеспечивается существенное повышение урожайности [10-11]. Применение БГУ на ОЖ и ОП предусмотрено нормами проектирования этих предприятий [2-5], разработаны типовые ряды проектов БГУ с широким диапазоном мощности по утилизируемому сырью [10].
Однако до настоящего времени в России БГУ широкого распространения не получили [12]. Наиболее совершенными являются БГУ, работающие в режиме термофильного сбраживания (при температуре 55 °С), длительность рабочего процесса у которых составляет 5-7 суток, объем метантенков в 5-6 раз меньше, а электропотребление примерно в 3 раза меньше, чем при мезофильном сбраживании с температурой 35 °С [10]. Выход биогаза в м3 на 1 тонну сырья и количество потенциальной тепловой энергии
(18-22 МДж/м3) [14], W& уд=5,0 кВт ч/м3 (18 МДж/м3) представлены в табл. 2. Структурная схема БГУс процентными величинами выработки удобрений из биомассы представлена на рис. 3 [10].
Таблица 2
Энергохарактеристики сырья для биогазовых энергоустановок
Table 2
Energy characteristics of raw materials for biogas power plants
его сжигания в идеальном ТГ с коэффициентом преобразования потенциальной тепловой энергии топлива в теплоту Ктг = 1,0 при принятой теплотворной способности биогаза для диапазона 5,0-6,1 кВтч т/м3
Сырье Количество биогаза из 1 т сырья, м3 Потенциальная тепловая энергия Сырье Количество биогаза из 1 т сырья, м3 Потенциальная тепловая энергия
кВт-ч т МДж кВт- ч т МДж
Навоз КРС (природный 85%) 54Х) 270 972 Свекольный жом (78%) 500 2500 9000
Навоз КРС (самосплавный 95%) 22 110 396 Меласса 300 1500 5400
Навоз свиней (природный 85%) 62 310 1116 Свекольная ботва 119 595 2412
Навоз свиней (самосплавный 95%) 25 125 450 Барда зерновая (93%) 633 3165 11394
Птичий помет (клеточное содержание птиц 75%) 103 515 1854 Барда мелассная (90%) 400 2000 7200
Пивная дробина (82%) 40 200 720
(напольное содержание птиц 60%) 90 450 1620 Жир 50 250 900
Силос кукурузный 180 900 3240 Отходы бойни 99 495 1782
Свежая трава 200 1000 3600 Корнеплодные овощи 1300 6500 23400
Зерно 538 2690 9684 Технический глицерин 300 1500 5400
Фуражный жом 70 350 1260 Рыбные отходы 100 500 1800
Примечание. х)При условии рекуперации теплоты сбраживания навоза [19] 1 кВтч т= 3,6 МДж. В скобках указана влажность сырья в %.
Рис. 3. Стуктурная схема БГУ: 1 - гомогенизатор (устройство механической обработки биомассы гидродинамическим кавитатором); 2 - биореактор (метантенк с вспомогательными устройствами для обеспечения анаэробного сбраживания); 3 - сепаратор (разделитель жидкой и твердой фракции переработанной биомассы, используемой как жидкие и твердые высокоэффективные биоудобрения); 4 - газгольдер-аккумулятор - стабилизатор потока биогаза; 5 - факел безопасности
(сжигания неиспользованного потока биогаза) Fig. 3. Block-diagram of biogas plant: 1 - homogenizer (mechanical treatment device of biomass by hydrodynamic cavitator); 2 - bioreactor (metantenk with auxiliari devices to ensure anaerobic digestion); 3 - separator (separator of liquid and solid fraction of processed biomass, used as a liquid and solid highly efficient fertilizer); 4 - gasholder-accumulator - biogas flow regulator;
5 - safety torch (burning of unused flow of biogas)
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (113) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Результаты расчетов энергетической оценки применения БГУ для энергоснабжения комплекса на 400 голов КРС молочного производства с выращиванием 230 голов молодняка до 6-месячного возраста и для энергоснабжения птицефабрики с поголовьем 1600 тыс. кур-несушек и 9 млн бройлеров на мясо с использованием данных табл. 1, 2 и методики энергетического и эксергетического анализа [15] представлены в табл. 3. При расчетах всех вариантов ОЖ и ОП принимались следующие условия.
1. Распределение энергопотоков в КТЭС: ¥э = 0,35 -электроэнергия; ¥т = 0,55 - теплота; ¥пот = 0,1 - потери от 1,0 энергии топлива, потребляемого КТЭС [16].
2. Коэффициенты преобразования энергии топлива в теплоту в ТГ Ктг = 0,90, теплоты, потребляемой приводами тепловых насосов ТНУ, в теплоту на их выходе с учетом температур на их входе (воздуха вытяжной вентиляции) 4в > 10 °С, температур на выходе 4ых < 45 °С (в ОЖ и ОП для отопления применяются воздухонагревательные системы, водонагрев возможно полностью осуществлять отработанной теплотой КТЭС [15]) для АБТН КпАБТН = 1,5, для ПКТНТД КпПКТНТД = 2,0 [17, 18].
3. Коэффициенты преобразования в БГУ навоза в потенциальную тепловую энергию Кп нБГУ =250 кВтч т/тонна, помета Кп пБГУ = 400 кВт ч т/тонна [10, 14, 19].
4. Потребление тепловой и электроэнергии для собственных нужд БГУ составляет не более 15% выработанного энергоносителя и учтено в указанных в п. 3 величинах коэффициентов преобразования [10].
Анализ результатов расчетов, представленных в табл. 3, показывает, что применение БГУ для энергоснабжения рассматриваемых ОЖ и ОП позволяет в среднем обеспечить требуемую выработку электроэнергии и теплоты за год на ОЖ и не позволяет на ОП:
т т
К ож = / Рэ(т) <Т = [К ож год ]; ^эОП =1 Рэ(т) <Т = [К оп год ] ;
0 0
(1)
Ктож = / О^т(т) <Т = [Штожгод ]; Штоп < / Qт (Т) <Т = [Ктопгод ].
0 0
(2)
БГУ не обеспечивают пиковые (максимальные -номинальные) значения требуемой электрической мощности ОЖ и тепловой мощности ОЖ и ОП.
Таблица 3
Результаты расчета энергетической оценки и выработки удобрений из навоза и помета в биогазовых и синтез-газовых энергоустановках
Table 3
Calculation results of the energy assessment and development of fertilizer of manure in biogas
and sintezgas power plants
Параметр, его обозначение и расчетная формула ( - данные предприятия) Животноводческий молочный комплекс на 400 взрослых коров и 230 телят до 6-месячного возраста (беспривязное содержание) Птицефабрика на 1600 тыс. кур-несушек яичного производства и 9000 тыс. бройлеров мясного производства (клеточное содержание)
БГУ СГУ БГУ СГУ
1 2 3 4 5
1. Номинальная электрическая мощность, кВт э, Рэ* 332 2062
2. Годовой расход электроэнергии, кВт-ч э, Шэ* 0,707-106 18,06-106
3. Номинальная (максимальная) тепловая мощность (при -30 °С ), кВт т, Qт ном* 730 30820
4. Среднегодовая тепловая мощность, кВт т, Qг* 146 6164
5. Годовой расход тепловой энергии, кВт-ч т, Шт* 1,28-106 54,0-106
6. Требуемая годовая выработка электроэнергии на КТЭС, кВт-ч э, [Шэ год] = Шэ* 0,707-106 18,06-106
7. Сопутствующая годовая выработка тепловой энергии на КТЭС, кВт-ч т, Шт кгэс = [Шэ год]¥т/¥э 1,11 -106 28,38-106
8. Требуемое годовое потребление энергоносителя на КТЭС, кВт-ч т, = [К Год]/^э 2,02-106 51,6-106
9. Требуемая годовая выработка тепловой энергии дополнительными теплогенераторами ТГ, кВт-ч т, ш = ш - ш ССТг ктэс 0,17-106 25,62-106
Продолжение табл. 3
1 2 3 4 5
10. Требуемый годовой расход энергоносителя для электро- и теплоснабжения ОЖ, ОП, [Щ] кВт-ч т, [ Щ] = Щктэс + Щ тг/Кп тг 2,21 -106 80,06-106
11. Доля годового расхода энергоносителя, потребля-ляемая дополнительными теплогенераторами, %, {(Щ тг/Кп тг)/[Щ]}-100% 8,5 35,5
12. Ежесуточный выход навоза 90% влажности, помета 53% влажности, Тн, М нп 24,3 423,8
13. Ежесуточный выход отходов бойни, Тн, М бн* -- 4,0
14. Ежесуточная выработка биогаза или синтез-газа, кВт-ч т, ЩГзБГУ = (Мн,п + Мбн)Кп н,пБГУ, Щ СГУ=М к СГУ гз н,п п н,п 6,07-103 10,7-103 170,0-103 932,0-103
15. Годовая выработка биогаза или синтез-газа, кВт-ч т, ЩгзГОД = Щгз-365 дней 2,21 -106 3,9-106 62,0-106 340,0-106
16. Избыток годовой выработки энергоносителя, (условно) кВт-ч т, %, ДЩ = ЩгзГОД - [Щ] (ДЩ/[Щ])-100% 0 0% 1,69-106 76,0% -18,06-106 - 22,5% (дефицит) 260,0-106 325%
17. Мощность биогазового или синтез-газового потока, кВт т, Щгзбгу,сгу /т = Щгзбгу,сгу /24 253 **) 7083 **)
18. Мощность потока энергоносителя, требуемая для выработки номинальной электрической мощности на КТЭС и сопутствующей тепловой мощности, кВт т, Щктэс/т = Рэ/Фэ 948 5891
19. Тепловая мощность, вырабатываемая КТЭС, кВт т, Q = Ф Щ /т т ктэс т ктэс 521 3240
20. Тепловая мощность, подлежащая выработке дополнительными ТГ, кВт т, Qгг = Qг ном - Q т ктэс 209 27580
21. Общая мощность потока энергоносителя для обеспечения номинальной электрической и тепловой мощностей, кВт т, Щ/т = Щ^с/т + Qгг/Кп тг 1180 36535
22. Дефицит мощности потока энергоносителя - биогаза, кВт т (%) - синтез-газа, кВт т (%) ДЩгз/т = Щ/т - Щгз/т (ДЩгз/Щ)-100% 927 (78%) 0 29452 (80,6%) 0
23. Дефицит мощности потока биогаза для выработки энергии: - электрической и сопутствующей ей тепловой, кВт т ДЩЭ бгз/т = Щктэс/т - Щбгз/т, (ДЩЭ бгз/Щктэс) 100% 695(73%) 0 - 1192 (избыток 20,2%) 0
- тепловой (без выработки электроэнергии), кВт т ДЩтбгз/т = Qт ном - Щбгз/т, (ДЩгбгз/Qг ном) 100% 477(65,3%) 0 23737 (77,0 %) 0
24. Количество навоза, помета, соответствующее расчетному(условному) избытку годовой выработки синтез-газа, т.е.
- не требуемое для полного энергообеспечения ОЖ, ОП, Тн, ДМ н,п=ДЩ/Кп н,п СГУ -- 3841 -- 118181
- % от поступившего на переработку, [ДМн,п/(М н,п-365)]100% -- 43,3 -- 76,4
25. Ежесуточное количество навоза, помета, используемое для выработки синтез-газа для - полного энергообеспечения ОЖ, ОП, Тн, [Мн,п] = Мн,п - ДМн,п/365 13,8 100,0
- % от поступившего на переработку, ([Мн,п]/Мн,п)-100% -- 57,0 -- 23,6
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (113) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Окончание табл. 3
1 2 3 4 5
26. Ежесуточная выработка удобрений Тн/% от исходного количества навоза, помета, в т.ч. 23/95%***) 21,3/87,6% 406,4/95%***) 333,1/78,6%
- твердых биоудобрений 5,0/20% -- 85,5/20% --
- жидких биоудобрений 18/75% -- 320,9/75% --
- жидких ЭМ удобрений -- 10,7/44% -- --
- твердых ЭМ удобрений -- 10,5/43% -- 323,8/76,4%
- золы (минеральное удобрение при выработке синтез-газа) -- 0,1/0,6% -- 9,3/2,2%
Примечания. Мощность синтез-газового потока формируется потоком твердого энергоносителя, подаваемого в реактор термохимической конверсии из склада-аккумулятора твердого топлива с количеством потенциальной тепловой энергии [Ш]/Кз; Кз - коэффициент запаса топлива на складе по условию обеспечения максимальных потребностей в синтез-газе для выработки требуемых величин Рэ(т) и QТ(т) в любой момент времени работы СЭС. [Ш] - годовая выработка твердого топлива из навоза, помета.
Выработка удобрений в биогазовых энергоустановках указана при условии реализации технических решений по дополнительным энергоисточникам, обеспечивающим уничтожение дефицита мощности потока биогаза ЛШе^/т, как необходимого условия полного тепло- и электроснабжения ОЖ, ОП.
Рис. 4. Структурная схема БГУ со складом-аккумулятором сжатого биогаза: 1 - гомогенизатор; 2 - биореактор; 3 - сепаратор; 4 - газгольдер; 5 - факел безопасности; 6 - распределитель; 7 - компрессорная станция сжатого биогаза для баллонов; 8 - склад аккумулированного энергоносителя-биогаза в баллонах для собственного энергопотребления
и продажи на сторону
Fig. 4. Block-diagram of biogas plant with storage-accumulator of compressed biogas: 1 - homogenizer; 2 - bioreactor; 3 - separator; 4 - gasholder; 5 - safety torch; 6 - spreader; 7 - compressed biogas compressor station for cylinders; 8 - warehouse of accumulated energy carrier-biogas in bottlers for self consumption or for sale on the side
Важно отметить, что в периоды работы СЭС с тепловыми нагрузками, меньшими предельных величин, обеспечиваемых БГУ, и составляющими до 70% времени в течение года (не отопительный период, сезонные колебания тепловой нагрузки), избыток тепловой мощности потока биогаза остается невостребованным. В определенной степени свободной от указанных недостатков является схема БГУ с аккумулированием потока биогаза путем его хранения в сжатом состоянии в газовых баллонах и использования этой аккумуляции для изменения потока биогаза в соответствии с
изменениями энергопотоков Рэ(т) и QТ(т), т.к. наиболее эффективной технологии аккумулирования биогаза его низкотемпературным сжижением в настоящее время не существует. Структура такой схемы представлена на рис. 4. При достаточно большом количестве баллонов сжатого биогаза и стабильной продаже его излишков сторонним потребителям (например, для заправки автотранспорта [11]) возможно обеспечить постоянство потока биогаза БГУ, обеспечить переработку всего потока биомассы при изменяющихся во времени энергопотоках Рэ(т) и QТ(т) без сжи-
гания излишков потока биогаза в факеле безопасности. Следует отметить, что такое решение позволяет эффективно отрабатывать изменения Рэ(т), 0т(т), которые имеют период повторяемости с длительностью несколько суток. Сезонные многократные увеличения отопительной нагрузки, особенно в течение наиболее холодных месяцев года, требуют значительного количества баллонов, аккумулирующих сжатый биогаз, что является нецелесообразным, а с учетом указанных в табл. 3 дефицитов мощностей - и невозможным, т.е. такая СЭС в наиболее холодное время года требует применения дополнительных энергоносителей. Более совершенной как с точки зрения гибкого регулирования энергопотоков, так и по выработке большего количества потенциальной тепловой энергии является переработка навоза, помета в твердое топливо, наиболее просто накапливаемое на складе. Далее оно преобразуется методом термохимической газификации с получением синтез-газа в строгом соответствии с изменяющимися во времени величинами Рэ(т) и 0т(х). При этом такая технология характеризуется получением значительно большего количества потенциальной тепловой энергии из биомассы, чем в БГУ [10, 14, 20]. СГУ, также как и БГУ, удовлетворяют самым
высоким экологическим требованиям. Одновременно при реализации такой технологии возможно производить высокоэффективные биоудобрения, по качеству сопоставимые с биоудобрениями, производимыми на БГУ [10]. Полученный в СГУ синтез-газ, также как и биогаз, может использоваться как топливо для КТЭС, ТГ, газоприводных ТНУ [10, 20-22].
Структурная схема СГУ для выработки синтез-газа для КТЭС, ТГ, газоприводных ТНУ на навозе КРС, свиней и производства высококачественных биологических удобрений с использованием эффективных микрорганизмов (ЭМ) представлена на рис. 5, а для переработки птичьего помета, выделение жидкой фракции из которого затруднительно, - на рис. 6 [10]. Важно отметить, что эти схемы с СГУ обеспечивают за счет аккумуляции на складе твердого энергоносителя - топлива, выработанного из навоза, помета, пиковые (номинальные) электрические и тепловые мощности без каких-либо дополнительных устройств при подаче соответствующего количества твердого энергоносителя в СГУ, рассчитанную на выработку указаннных мощностей, и далее в КТЭС и ТГ или ТНУ.
100%
ЭМ-обра-
ботанный if 43% U V 44%
навоз ЭМ Жидкие ЭМ
препарат удобрения
V
Синтез-газ к КТЭС, ТГ, ТНУ
0,6% Зола (минеральное удобрение)
Рис. 5. Структурная схема СГУ для навоза КРС, свиней: 1 - сепаратор (разделитель навоза на жидкую и твердую фракцию); 2.1, 2.2 - обеззараживающее устройство; 3.1, 3.2 - устройство внесения ЭМ препарата (эффективные микроорганизмы);
4 - устройство сушки; 4.1 - теплообменники устройства сушки; 5 - устройство формирования твердого топлива; 6 - склад-аккумулятор твердого энергоносителя (топлива); 7 - реактор термохимической конверсии с воздушным дутьем
и устройством газоочистки
Fig. 5. Block-diagram of synthesis-gas power plant for manure of cattle and pigs: 1 - separator (manure separator into liquid and solid fraction); 2.1, 2,2 - disinfecting device; 3.1, 3.2 - device for introducing of effective microorganisms; 4 - drying device; 4.1 - heat exchangers for drying device; 5 - device for forming a solid fuel; 6 - warehouse-accumulator of solid fuels; 7 - thermochemical conversion reactor with blowing of air and gas purification device
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (113) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
100% Птичий помет 23,6%
Формованное твердое топливо
76,4%
ЭМ-обработанный помет
V
Синтез-газ к КТЭС, ТГ, ТНУ
Зола (минеральное удобрение)
Рис. 6. Структурная схема СГУ на птичьем помете. Обозначения как в рис. 5 Fig. 6. Block-diagram of synthesis-gas power plant on the poultry litter. Legend as in Fig. 5
Результаты расчетов энергетической оценки применения СГУ для рассматриваемых ОЖ и ОП с дополнительными ТГ также представлены в табл. 3. При расчетах СГУ (с учетом их энергопотребления на собственные нужды не более 10-15%) принимались коэффициенты преобразования навоза в потенциальную тепловую энергию КнСГУ = 440 кВтч т/тонна, помета КппСГУ = 2200 кВт ч т/тонна [10]. Из табл. 3 следует, что применение СГУ позволяет резко снизить потребление навоза, помета, требуемых для 100%-го энергоснабжения ОЖ, ОП, обеспечить (в отличие от БГУ) максимальные электрические и тепловые нагрузки ОЖ, ОП при выработке практически такого же количества удобрений, не уступающих по эффективности удобрениям, вырабатываемым в БГУ [10]. На рис. 5, 6 показаны количества навоза, помета, в процентах от исходного, необходимые для полного, 100%-го энергообеспечения рассматриваемых ОЖ, ОП. Они составляют от 57% (для навоза с одновременной выработкой из них 44% жидких ЭМ-удобрений и 0,6% золы - минерального удобрения) до 23,6% (для помета с одновременной выработкой 2,2% золы - минерального удобрения), что позволяет утверждать (с учетом приближенного характера представленных расчетов), что применение СГУ в составе СЭС является наиболее предпочтительным по сравнению с БГУ и имеет запас по выработке энергоносителей в пределах неиспользованного для выработки энергии количества навоза, помета. В силу многообразия условий работы конкретных ОЖ, ОП эти процентные значения навоза, помета подлежат уточнению для них на основании экспресс-анализа в лабораторных условиях. В настоящее время разработаны проекты ряда СГУс производительностью до 3000 м3/ч (5500 кВт т) [10, 22].
Применение ТНУ в рассмотренных СЭС позволит снизить потребление энергоносителей по сравнению с дополнительными теплогенераторами прямого нагрева, которое, как следует из табл. 3, для ОЖ составляет около 8,5%, а для ОП примерно 35,5% от их годового расхода, поскольку остальное энергопотребление этих объектов может обеспечиваться КТЭС. С учетом указанных величин коэффициентов преобразования ТНУ: 1,5 (для АБТН) - 2,0 (для ПКТНТД) - потребление энергоносителей - биогаза или синтез-газа - может быть снижено на 2,8-4,2% в ОЖ и на 12-18% в ОП. Эти процентные соотношения могут существенно изменяться у ОЖ и ОП в зависимости от конкретных условий работы этих объектов, поэтому целесообразность применения ТНУ для них должна определяться с учетом указанного, а также возможности обеспечения ТНУ требуемого микроклимата для животных, птиц, от которого, главным образом, зависит продуктивность ОЖ, ОП [23].
Применение СЭС с СГУ на предприятиях животноводства и птицеводства позволит полностью отказаться от использования на них традиционных энергоносителей (магистрального газа, угля, сетевой электроэнергии и др.), потребление которых составляет до 68% в целом по стационарным объектам сельхозпроизводства, и таким образом позволит уменьшить его в перспективе в 3 раза (при полном переводе ОЖ и ОП на самоэнергообеспечение, с точностью до потребления кормов).
Следует отметить, что рассмотренные технологии выработки энергоносителей и удобрений для сохранения плодородия земли из навоза, помета с одновременным обеспечением экологических требований, по-видимому, сохранят актуальность и в будущем, когда эффективные технологии выработки
энергии из окружающей среды составят основу энергетики, а именно до тех пор, пока сельхозпроизвод-ство будет являться источником основных видов продукции, используемых для выработки продуктов питания.
Выводы
1. Сельхозобъекты животноводства и птицеводства представляют собой особый класс объектов энергоснабжения, в которых энергия кормов и компонентов окружающей среды (воздух, солнце, вода), потребляемых животными и птицами, а также энергия, потребляемая ими от систем энергоснабжения, преобразуется в базисные виды продукции животного происхождения, теплоту, влагу и энергоносители - навоз или помет, являющиеся одновременно сырьем для выработки удобрений, необходимых для агротехнических условий сохранения плодородия земель сельхозназначения.
2. Сельхозобъекты животноводства, птицеводства совместно с их системами энергоснабжения представляют собой связующие звенья в обобщенной термодинамической системе выработки, распределения, потребления и трансформации энергии, в которых преобразуются разнообразные энергопотоки различной физической сущности.
3. Основными элементами автономных систем энергоснабжения сельхозпредприятий животноводства и птицеводства являются:
- Синтез-газовые или биогазовые энергоустановки, перерабатывающие навоз животных или помет птиц в газообразное топливо - соответственно, синтез- или биогаз - и высокоэффективные биоудобрения.
- Когенерационные теплоэлектростанции, вырабатывающие электроэнергию и теплоту с использованием синтез- или биогаза.
- Дополнительные теплогенераторы, обеспечивающие выработку тепловой энергии при недостаточной ее величине у когенерационных теплоэлектростанций (при малых электронагрузках и соответствующей им малой выработке электроэнергии и теплоты в ночное время, в наиболее холодное время года): газовые котлы, калориферы, водонагреватели, парогенераторы.
- Теплонасосные установки с газовым теплопри-водом, обеспечивающие рекуперацию теплопотоков техногенных источников «сбросной» теплоты: воздуха приточно-вытяжной вентиляции и канализационных стоков, а также кондиционирование воздуха, микроклимат в соответствии с зоотребованиями содержания животных, птиц в жаркое время года.
- Пусковое газохранилище для первоначального (стартового) запуска системы энергоснабжения в эксплуатацию.
4. Биогазовые энергоустановки в автономных системах энергоснабжения сельхозобъектов животноводства позволяют «в среднем» обеспечить тре-
буемое для них количество электроэнергии и теплоты (исключая пиковые-номинальные нагрузки), а также обеспечить электроснабжение объектов птицеводства (включая пиковые-номинальные нагрузки). При аккумулировании потенциальной тепловой энергии биогаза в сжатом состоянии в газгольдерах, баллонах высокого давления, выравнивающих периодические изменения потребления биогаза с длительностью до нескольких суток, обеспечивают энергоснабжение этих объектов и поставку биогаза сторонним потребителям, но не позволяют обеспечить теплоснабжение указанных объектов в течение длительного холодного времени года с максимальными тепловыми мощностями, многократно превосходящими величину тепловой мощности, усредненной за год, и требуют в таких случаях применения дополнительных энергоносителей.
5. Синтез-газовые энергоустановки в автономных системах энергоснабжения сельхозобъектов животноводства и птицеводства за счет аккумулирования потенциальной тепловой энергии на складе твердого топлива - аккумуляторе энергоносителя большой емкости, полученного из навоза, помета, позволяют обеспечить выработку синтез-газа в количестве, необходимом для электроснабжения и теплоснабжения указанных объектов в любой момент времени года в строгом соответствии с изменяющимися величинами требуемой тепловой и электрической мощности.
6. Автономное энергоснабжение сельхозобъектов животноводства требует использования примерно 57% от общего количества навоза, а сельхозобъектов птицеводства - примерно 24% от общего количества помета, поступающего от этих предприятий. Указанные процентные значения навоза, помета могут изменяться в силу многообразия условий работы конкретных объектов и подлежат уточнению на основании энергетического анализа объектов и лабораторных исследований навоза, помета.
7. Биогазовые и синтез-газовые энергоустановки обеспечивают переработку навоза, помета в высокоэффективные биоудобрения в соответствии с самыми высокими экологическими требованиями. Указанные удобрения имеют не менее чем в 5-10 раз большую удобрительную ценность по сравнению с удобрениями, полученными из навоза и помета традиционными способами. Выработка биоудобрений в биогазовых энергоустановках составляет до 95%, а в синтез-газовых - до 87% от исходной массы навоза и 76% -массы помета. Количество и качество этих удобрений позволят поддерживать плодородие значительно большего количества земель сельхозназначения, чем при применении традиционных удобрений.
Список литературы
1. Долгов И.Ю., Тихомиров А.В., Харченко В.В. Энергопотребление и энергосбережение в сельско-хохяйственном секторе Российской Федерации // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2012. № 2. С. 16-19.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (113) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
2. Нормы технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота. НТП 1-99. М., 1999.
3. Нормы технологического проектирования птицеводческих предприятий. НТП АПК 1.10.05.001-01. М., 2001.
4. Общесоюзные нормы технологического проектирования свиноводческих ферм. ОНТП 2-77. М.: КОЛОС, 1977.
5. Нормы технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета. НТП 17-99. М., 1999.
6. Виноградов Р.Н., Быстрицкий И.С., Селезнев Н.В., Федоров Б.И., ШержуковаТ.А. Основные проекты животноводческих и птицеводческих комплексов, ферм и фабрик. М.: Стройиздат, 1978.
7. Ерыкалов А.Н. Программа энергосбережения по-сеймовски. http//www.ptica.ru.
8. Долгов И.Ю. Роль и место теплонасосных установок в обобщенной термодинамической системе выработки и преобразования энергии // Альтернативная энергетика и экология - Ш-ТАБЕ. 2011. № 12. С. 21-25.
9. Лысенко В.П. Экологические проблемы птицефабрик России и роль биотехнологии в переработке органических отходов. http//www.ptica.ru/.
10. Аминов А.Х., Царьков А.В. Переработка отходов животноводческих и птицеводческих комплексов и ферм в эффективные биологические удобрения и энергию. Рекомендации. ОАО БАШГИПРОАГРОПРОМ, г.Уфа. 2010. http://www.appri.ru/.
11. Смирнов А. Биогазовая энергетика: опыт ЕС. Географический факультет МГУ. http//biogas-energi.ru/.
12. Тихонравов В.С. Ресурсосберегающие биотехнологии производства альтернативных видов топлива в животноводстве. М.: ФБНУ «Росинформ-агротех», 2011.
13. Биогаз. Википедия. http://ru.wikipedia.org/.
14. Биогаз. http://www.zorgbiogas.ru/.
15. Долгов И.Ю. Энергетический и эксергетиче-ский анализ систем энергоснабжения сельскохозяйственных предприятий животноводства с когенера-ционными теплоэлектростанциями // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2012. № 9.
16. Тепловые насосы Vitokal. Когенерационные электростанции ^ЮЬ^с 200. Газовые и электрические котлы и водонагреватели. Техническая информация фирмы ^Е88МАМЫ (Германия). http://www.viessmann.ru/.
17. Долгов И.Ю. Термодинамический анализ, энергетические и эксергетические характеристики абсорбционных тепловых насосов и их сравнение с парокомпрессионными тепловыми насосами с электроприводом // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2012. № 8. С. 26-33.
18. Долгов И.Ю. Термодинамический анализ, энергетические и эксергетические характеристики парокомпрессионных тепловых насосов с механическим приводом от тепловых двигателей и их сравнение с абсорбционными тепловыми насосами и паро-компрессионными с электроприводом // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2012. № 8. С. 34-42.
19. Ковалев Д.А., Ковалев А.А., Харченко В.В. Сравнительный анализ показателей работы тепловых насосов абсорбционного и компрессионного типа в системе теплоснабжения биогазовой установки // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2012. № 7.
20. Установки для получения жидкого и газообразного топлива из биомассы и растительных отходов. Технологии возобновляемой энергетики и энергосберегающее оборудование. Каталог технологий и изделий разработки ГНУ ВИЭСХ. М., 2009. С. 34-38.
21. Оборудование по переработке отходов в газ, тепло, электроэнергию и топливо. ООО «ПРОГРЕСС-Т», Самара. http://www.progresst.ru/.
22. Решения по переработке отходов сельхозпро-изводства. Оборудование для утилизации и переработки навоза, отходов животноводства, помета. Энергетические комплексы БиоРЕКС, http://biorex.ru/.
23. Мурусидзе Д.Н., Трунов С.С. и др. Установки для создания микроклимата на животноводческих фермах. М.: КОЛОС, 1979. С. 326.
