CC BY
3УДК 620.9 Коротков В.В., Новиков И.К., Булыгин Б.А.
Коротков В.В.
студент кафедры электро- и теплоэнергетика Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
Новиков И.К.
студент кафедры электро- и теплоэнергетика Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
Булыгин Б.А.
студент кафедры электро- и теплоэнергетика Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА СУШКИ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ И КОМБИНИРОВАННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, РАБОТАЮЩАЯ НА БИОГАЗЕ
Аннотация: в данной статье написано о системе очистки сточных вод с помощью солнечной энергии и комбинированной системе, работающей на биогазе.
Ключевые слова: комбинированная теплоэнергетика, солнечные тепловые коллекторы, динамическое моделирование, термическая сушка.
Основными проблемами очистных сооружений сточных вод являются высокая потребность в энергии и утилизация осадка. В данной работе предлагается гибридная система для осушки осадка сточных вод, позволяющая решить обе эти проблемы. Разработанная схема основана на интеграции двух
2224
возобновляемых источников энергии - биогаза, получаемого в результате анаэробного сбраживания осадка, и солнечной энергии с целью повышения устойчивости и энергетической самодостаточности установки. Биогаз используется в качестве топлива для комбинированной теплоэнергетической системы, а солнечная энергия используется через параболический желобчатый коллектор. Электрическая энергия производимая комбинированным способом тепловая энергия используется для удовлетворения потребностей предприятия, в то время как тепловая энергия, получаемая от комбинированного теплоэнергетического агрегата и солнечной батареи, используется для проведения процесса анаэробного сбраживания и термической сушки остаточного осадка. Рассмотренный пример основан на данных, собранных для существующей установки очистки сточных вод. Предлагаемая система изучается с использованием данных, полученных из научной литературы, поставщиков рассматриваемого оборудования и надлежащим образом разработанных подмоделей различных компонентов, для оценки его осуществимость и общие энергетические, экологические и экономические показатели. Система динамически моделируется и отображаются ежедневные, еженедельные и годовые результаты. При рассматриваемых температурах потока осушителя поле солнечного коллектора достигает теплового КПД около 56,0%, в то время как для комбинированного теплоэнергетического агрегата он составляет около 44,0%, что несколько выше номинального, благодаря предварительному нагреву всасываемого воздуха комбинированного теплоэнергетического агрегата. Интеграция солнечной энергии с комбинированной системой теплоснабжения и электроснабжения приводит к экономия первичной энергии составляет около 14,6% по сравнению с существующей установкой, где осадок не перерабатывается и не подвергается термической сушке.
В рамках этой проблемы была разработана гибридная сушилка для очистки осадка сточных вод, в которой поток осушителя вырабатывается за счет солнечной энергии и системы теплоэлектроцентрали, частично работающей на
2225
биогазе, образующемся в результате анаэробного сбраживания осадка. Станция очистки сточных вод, расположенная в регионе Кампания, в качестве примера рассматривается Южная Италия. Завод был спроектирован в семидесятых годах и введен в эксплуатацию в 1981 году. Несмотря на некоторые усовершенствования, в настоящее время на заводе проводится значительная реконструкция. На данный момент линия по производству осадка состоит из сгущения и механического обезвоживания с помощью центрифуг, в то время как в данной работе предлагается использовать анаэробное сбраживание и гибридную термическую сушку для снижения образования осадка. Новая гибридная система сушки основана на интеграции двигателя внутреннего сгорания двигатель и параболические желобчатые солнечные коллекторы.
Система разработана с учетом потенциал и условия для работы реального завода, расположенном в Южной Италии. Было проведено несколько инспекций на месте для сбора ежедневной информации о производстве осадка и его характеристиках, а также ежечасных данных о потреблении электроэнергии. Схема разработанной системы представлена на рис. 1. Система предназначена для обеспечения содержания воды в сухом осадке на уровне около 10,0%. Сушилка предназначена для обработки среднего расхода обезвоженного осадка, образующегося на станции очистки сточных вод, равного 64,8 тоннам в сутки, при среднем содержании воды 75,0%. Поток осушителя образуется за счет смешивания выхлопных газов двигателя со свежим воздухом и рециркуляционный ток, выходящий из сушилки. Чтобы компенсировать воздух, направляемый на очистку, свежий воздух предварительно нагревается за счет солнечной энергии. Размер двигателя выбран таким образом, чтобы полностью обеспечить осушитель при отсутствии солнечной энергии. В этом случае двигатель работает на максимальной мощности, в противном случае - на частичной нагрузке. Газы, выходящие из осушителя и не циркулирующие повторно, используются для предварительного нагрева воздуха, поступающего в двигатель, с целью повышения его производительности. Двигатель работает на биогазе, получаемом в результате анаэробного сбраживания осадка и
2226
природного газа. Низкопотенциальная рекуперация тепла в системе ТЭЦ используется для поддержания анаэробного сбраживания, для правильной работы которого требуется тепловая энергия. Вспомогательный газовый котел включен для обеспечения анаэробного сбраживания, когда рекуперации тепла ТЭЦ недостаточно. Электрическая энергия, производимая двигателем, используется для удовлетворения всей или частичной потребности очистных сооружений. Когда производство ниже спроса, электроэнергия поставляется из сети. При избытке производства электроэнергия продается в сеть.
Рисунок 1. Схема предлагаемой системы.
Система состоит из параболического желобчатого коллекторного поля, многослойного теплового накопителя и воздухонагревателя. Кроме того, в модель системы включены другие обязательные компоненты, такие как трубы и насосы. Поле солнечного коллектора, накопительный бак и солнечный нагреватель работают на термомасле благодаря высоким температурам, достигаемым в солнечном контуре (100-200 °С), в то время как на сторону загрузки солнечного нагревателя подается окружающий воздух. Солнечная система предназначена для нагрева свежего воздуха, необходимого для проведения процесса термической сушки. Реализованная стратегия управления
2227
системой описана следующим образом. Термомасло перекачивается из нижней части резервуара для хранения тепла в параболический желобчатый коллектор, который преобразует солнечное излучение в тепловую энергию, когда излучение солнечного луча превышает 10 Вт/м2. Во время работы солнечного контура температура на выходе коллектора устанавливается на заданное значение с помощью насоса с регулируемой скоростью вращения и пропорционального регулятора. Предполагается, что такая заданная температура на 30 °C выше температуры на входе в сушилку. Стоит отметить, что температура на выходе из коллектора может быть ниже или выше заданной в случае низкой или высокой солнечной радиации.
Солнечный обогреватель оснащен байпасом и контроллером с обратной связью, позволяющим регулировать температуру воздуха на выходе из устройства. Фактически, во время работы солнечного обогревателя температура воздуха на выходе устанавливается на заданном уровне. Температура воздуха на выходе может быть ниже желаемой превышение заданного значения из-за недостаточной температуры термомасла.
Работа двигателя моделируется с помощью type 907, состоящего из математической модели двигателя внутреннего сгорания, основанной на методе поиска данных. Таким образом, модель основана на аналитическом моделировании и данных, касающихся работы реального компонента. В частности, модель рассчитывает производительность агрегата в зависимости от температуры на входе и коэффициента частичной нагрузки, используя данные производителя о электрической эффективности и КПД вала, расходе воздуха и выхлопных газов, теплопередача (контуры рубашки, масла и дополнительного охладителя) при различных режимах работы условия. Таким образом, модель учитывает условия эксплуатации или ограничения реального энергоблока. Данные производителя предоставляют реальные условия эксплуатации теплоэлектроцентрали при различных коэффициентах нагрузки, таким образом, в модели учитываются ограничения при производстве тепловой и электрической энергии.
2228
Модель адаптирована для моделирования работы ТЭЦ на альтернативных видах топлива, включая природный газ и биогаз, с расчетом эквивалентного расхода топлива и расхода всасываемого воздуха. Таким образом, модель основана на данных производителя о расходе топлива, который зависит от выходной электрической мощности. Для моделирования назначение и параметры реального двигателя, работающего на биогазе и природном газе, реализованы в программном обеспечении для моделирования выработки электрической и тепловой энергии при различных нагрузках. Однако для обеспечения потребности сушилки в тепловой энергии предполагается установка двух двигателей. Кроме того, если производство биогаза недостаточно для обеспечения системы, используется также природный газ. Таким образом, учитывается работа двигателя на биогазе и природном газе или только на природном газе при различных нагрузках с помощью карты производительности, внедренной авторами в программное обеспечение. Двигатель работает при полной нагрузке, когда солнечная энергия недоступна, и при частичной нагрузке, когда свежий воздух, необходимый для термической сушки, предварительно нагревается солнечным полем. В частности, система управления регулирует коэффициент загрузки установки, чтобы обеспечить заданную температуру на входе воздуха в осушитель осадка. Важно отметить, что температура может немного превысить заданное значение, как только солнечная система нагреет свежий воздушный поток, поскольку система управления реалистична и это не идеально.
Предлагаемая система сравнивается с существующей системой очистки сточных вод, которая включает в себя только механическое обезвоживание осадка без анаэробного сбраживания и использует национальную электрическую сеть для подачи электроэнергии.
В частности, рассчитывают первичную экономию энергии предлагаемой системы по сравнению с существующей с учетом:
- электрической энергии, вырабатываемой ТЭЦ, и собственного потребления пользователем,
2229
- электроэнергия, вырабатываемая в избытке на ТЭЦ и подаваемая в национальную электрическую сеть,
- потребление электрооборудования предлагаемой системы за счет работы вспомогательных устройств (насосов и вентиляторов),
- расход природного газа в предлагаемой системе (ТЭЦ и вспомогательный котел для подогрева осадка),
- разница в расходе топлива на транспортировку осадка на свалку из-за меньшего количества конечного осадка.
Чтобы оценить потребление первичной энергии при транспортировке отходов на свалку, для конкретного случая были приняты во внимание следующие допущения:
- расстояние между свалкой и местом захоронения отходов составляет 350 км,
- грузоподъемность дизельного грузовика составляет 24 тонны,
- расход дизельного топлива для грузовых автомобилей составляет 4
км/л,
- расстояние между очистными сооружениями и местом захоронения отходов оценивается с учетом текущего места захоронения отходов на заводе, рассматриваемом в качестве примера.
В соответствии с моделью, рассчитывается производство биогаза и тепловая потребность в процессе анаэробного сбраживания. Производство биогаза связано с расходом осадка, хотя могут наблюдаться некоторые исключения. Это связано с тем, что некоторые показатели содержания летучих веществ значительно превышают среднее значение. Площадь параболических желобчатых коллекторов зависит от скорости потока свежего воздуха.
2230
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Афанасьев, В.В. (2019). "Использование солнечной энергии для сушки осадков сточных вод." Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия Естественные науки, 5, 34-45;
2. Борисов, А.А., Иванов, С.В., и Петров, Е.В. (2021). "Комбинированные системы сушки осадка сточных вод с использованием солнечной энергии и биогаза." Энергосбережение и водоподготовка, 4, 56-65;
3. Герасимов, В.Н. (2020). "Перспективы использования солнечной энергии и биогаза в комбинированных теплоэнергетических установках." Энергетика будущего, 6, 78-89;
4. Демидов, И. П. (2019). "Технологии сушки осадков сточных вод: солнечные и биогазовые системы." Экологические проблемы и их решение, 3, 112-123;
5. Ермаков, М.С., и Колесников, А.В. (2021). "Энергоэффективные технологии в области очистки сточных вод и утилизации осадков." Вестник экологического машиностроения, 2, 45-54;
6. Кузнецов, А.Н., и Лебедев, П.Н. (2022). "Гибридные системы для сушки осадков сточных вод: солнечная энергия и биогаз." Энергоэффективность и альтернативная энергетика, 1, 67-76;
7. Михайлов, И.В., и Орлов, С. К. (2020). "Интегрированные системы сушки осадков сточных вод с использованием возобновляемых источников энергии." Энергетика и экология, 7, 98-109;
8. Павлов, Н.А. (2021). "Солнечные и биогазовые технологии в управлении осадками сточных вод." Теплоэнергетика и водоснабжение, 5, 34-44
2231
Korotkov V.V., Novikov I.K., Bulygin B.A.
Korotkov V.V.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
Novikov I.K.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
Bulygin B.A.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
INTEGRATED SLUDGE DRYING SYSTEM WASTEWATER USING SOLAR ENERGY AND COMBINED HEAT AND POWER BIOGAS PLANT
Abstract: this article describes a wastewater treatment system using solar energy and a combined system running on biogas.
Keywords: power engineering, solar collectors, dynamic modeling, thermal drying.
2232
