CC BY
32
УДК 631.1.004.18:636.22/28
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ФЕРМЫ КРС ОТ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ
А.А. Ковалев, кандидат технических наук А.Г. Макаров, магистрант ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: [email protected]
Аннотация. Рассматривается возможность использования биогазовой установки совместно с солнечными коллекторами для теплоснабжения фермы КРС, которая является источником органических отходов, перерабатываемых в биогазовой установке. Приведены нормы расхода тепловой энергии по группам процессов для молочных ферм Центральной зоны с поголовьем дойных коров 400 голов. Представлены результаты расчета основных энергетических показателей системы компенсации энергетических потребностей фермы КРС на 400 голов. Приведена принципиальная технологическая схема использования солнечных коллекторов в системе теплоснабжения фермы КРС с помощью биогазовой установки блочно-модульной конструкции, а также описание ее работы. Показано, что наряду с различными видами источников альтернативной энергии применительно к теплоснабжению биогазовых установок возможно использование солнечных коллекторов, что приведет к увеличению эффективности биогазовых установок и снижению или исключению расхода биогаза на собственные тепловые нужды биогазовых установок. Полученная в результате процесса сжигания биогаза тепловая энергия, а также теплота, полученная от солнечных коллекторов, используется для нагрева исходного субстрата через теплообменник в емкости предварительного нагрева, компенсации тепловых потерь анаэробного биореактора и компенсации тепловых нужд фермы КРС.
Ключевые слова: биогазовые установки, блочно-модульный принцип, солнечные коллекторы, анаэробная переработка.
В последние годы внимание общества все больше привлекается к решению двух неразрывно связанных проблем - предотвращению истощения природных ресурсов и охране окружающей среды от загрязнения. Быстрое расходование запасов природного топлива, ограничение строительства гидро- и атомных электростанций вызвали интерес к применению возобновляемых источников энергии, в том числе - огромных масс органических отходов, образующихся в сельском хозяйстве, промышленности, городском коммунальном хозяйстве.
В связи с этим использование методов биологической конверсии органических отходов с получением биогаза и высококачественных органических удобрений при одновременном решении ряда вопросов охраны окружающей среды от загрязнения является весьма перспективным [1].
Интенсификация животноводства также 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 (БГУ), 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 (биогаза) собственного производства с получением высокоэффективных органических удобрений. Производство биогаза позволяет предотвратить выброс метана в атмосферу,
который оказывает влияние на парниковыи 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 теплоты. Кроме того, БГУ решает проблему утилизации органических отходов и очистки сточных вод. Переработанные органические отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве, что позволяет снизить использование химических удобрений. За счет этого сокращается нагрузка на грунтовые воды. Однако, несмотря на положительные стороны анаэробной обработки органических отходов, она имеет существенный недостаток - большие энергетические затраты на технологические нужды оборудования (для обеспечения температурного режима в БГУ требуется значительное количество (до 50%) выработанного биогаза) [2].
Наиболее энергоемким является процесс нагрева суточной дозы загрузки метантенка, на который идет около 95% энергии, расходуемой на собственные нужды установки. Опыт применения систем подогрева субстрата в системах теплоснабжения БГУ незначителен, а имеющихся в научно-технической литературе сведений недостаточно для того, чтобы создать эффективные энергосберегающие установки [3].
Современная животноводческая ферма -это специализированное сельскохозяйственное предприятие по производству высококачественной продукции с минимальными затратами труда и средств. Условия содержания животных на молочно-товарных фермах зависят от хозяйственных и других конкретных условий. Доярки и скотники на ферме работают в две смены. Кормление животных
- двухразовое, доение основного стада -двухразовое. В ночное время на ферме дежурит охрана.
В таблице 1 приведены нормы расхода тепловой энергии по группам процессов для молочных ферм Центральной зоны (К=1) с поголовьем дойных коров 400 голов [4].
Таблица 1. Нормы расхода тепловой энергии по группам процессов для молочных ферм Центральной зоны с поголовьем 400 голов коров
Выражение для расчета Тепловая энергия, кВтч/гол в год
^=115,2-0,023т 106,2
42=73,4 74,3
Технологическая норма 180,5
д3=23,8 23,8
д4=65,6+(14743/т) 102,4
Общепроизводственная норма Ноб 306,7
Общепроизводственная норма (Ноб) определяется:
Н о б = 4/ + Чп + Чш + 4/V , где - расход тепловой энергии
(ТЭ) на поддержание микроклимата (первый уровень теплопотребления); чп = 4-1 + 42 -второй уровень теплопотребления, включающий, помимо ТЭ на поддержание микроклимата, еще и ТЭ на горячее водоснабжение; - третий уровень тепло-потребления, включающий, помимо ф1, еще и расход ТЭ на пастеризацию молока;
- четвертый уровень теплопотреб-ления (общепроизводственная норма), включающий еще и расход ТЭ на отопление и вентиляцию вспомогательных помещений.
Для центральной зоны К 1 = К 3 = К 4 =1,0 и К 2 = 0,75, тогда
0,48т + 577,4
Н0б —
+ 2 34,4 + 0,0 3 8т.
0,0006771 + 0,51
Решение этого выражения получается после подстановки значения поголовья фермы т [4]. Из [4] видно, что максимальная потребность в тепловой энергии животноводческого помещения фермы на 400 голов КРС составляет 2066,532 кВтч/сут.
Для увеличения энергетической эффективности системы компенсации тепловых потребностей фермы предлагается применить солнечные коллекторы, размещенные на крыше фермы КРС. Одним из способов повышения энергетической эффективности БГУ является использование альтернативных источников энергии для компенсации энергетических потребностей БГУ. Наряду с различными видами источников альтернативной энергии применительно к теплоснабжению БГУ возможно использование солнечных коллекторов, что приведет к увели-
Лоигпа! оГ VNIIMZH №4(36)-2019
21
чению эффективности БГУ и снижению или исключению расхода биогаза на собственные энергетические нужды БГУ.
На рисунке представлена технологическая схема системы теплоснабжения фермы КРС от БГУ с использованием солнечных коллекторов. Система теплоснабжения фермы КРС от биогазовой установки на базе четырех блоков-модулей объемом 60 м3 каждый, основанная на использовании солнечных коллекторов, работает следующим образом. Исходный субстрат с фермы КРС 11 по-
дается в приемную емкость 1, откуда насосом загрузки субстрата 2 подается в теплообменник 10.
Субстрат, проходя через теплообменник 10, нагревается от теплоносителя солнечных коллекторов 9 или водогрейного котла 3 до рабочей температуры термофильного режима ¿=55°С, после чего подается в анаэробный биореактор 6. Потери теплоты через ограждающие конструкции анаэробного биореактора 6 компенсируются с помощью теплообменника блока-модуля 5.
Рисунок. Технологическая схема системы теплоснабжения фермы КРС от биогазовой установки:
1 - емкость предварительного нагрева; 2 - насос загрузки; 3 - водогрейный котел; 4 - насос циркуляции теплоносителя; 5 - теплообменник блока-модуля; 6 - анаэробный биореактор (4 блока-модуля); 7 - отстойник эффлюента; 8 - насос перемешивания субстрата; 9 - солнечные коллекторы (крышное расположение); 10 - теплообменник-нагреватель; 11 - ферма КРС; 12 - газгольдер
Таблица 2. Основные энергетические показатели системы теплоснабжения фермы КРС на 400 голов
Параметр Значение
Уг - объем выработанного биогаза в сутки, м3/сут. 350
Qн - количество тепловой энергии на предварительный нагрев субстрата до температуры брожения, кВтчтэн/сут. 862,75
Qк - количество тепловой энергии на компенсацию теплопотерь от ограждающих конструкций и трубопроводов биогазовой установки, кВтчтэн/сут. 72,908
Qсн - количество тепловой энергии на собственные нужды биогазовой установки, кВтчтэн/сут. 935,658
Qот - среднее кол-во тепловой энергии на компенсацию теплопотребления фермы КРС, кВтчтэн/сут. 2066,532
QSol - количество солнечной тепловой энергии, полученной от солнечных коллекторов, кВтчтэн/сут. 2657,369*
Qт - количество тепловой энергии, получаемой при утилизации всего выработанного биогаза в водогрейном котле, кВтчтэн/сут. 2012,5
Выход товарной тепловой энергии, кВтчтэн/сут. 1668
Qт' - количество тепловой энергии, получаемой при утилизации части выработанного биогаза, необходимой для компенсации собственных нужд установки, в водогрейном котле, кВтчтэн/сут. 344,821
Выход товарного биогаза, м3/сут. 290
- среднегодовое значение для широты 56 град. при коэффициенте использования солнечной энергии 0,2
*
Поддержание термофильного режима в биоректоре осуществляется теплоносителем солнечных коллекторов 9 или водогрейного котла 3. Обработанный субстрат из биореактора 6 поступает в отстойник эффлюента 7, где разделяется на осветленную и сгущенную фракции.
Биогаз, полученный в процессе анаэробной переработки навоза КРС, собирается в газгольдере 12, после чего подается к потребителю и в водогрейный котел 3. Полученная в результате процесса сжигания биогаза тепловая энергия, а также теплота, полученная от солнечных коллекторов 9, используется для нагрева исходного субстрата через теплообменник 10 в емкости предварительного нагрева 1, компенсации тепловых потерь анаэробного биореактора 6 и компенсации тепловых нужд фермы КРС 11.
Выводы. Использование солнечных коллекторов в системе теплоснабжения фермы КРС от биогазовой установки позволит: сократить расход биогаза на поддержание температурного режима в биореакторе; повысить энергетическую эффективность системы переработки органических отходов животноводства; повысить энергетическую эффективность системы теплоснабжения фермы КРС от биогазовой установки.
Литература:
1. Гюнтер Л.И., Гольдфарб Л.Л. Метантенки, М, 1991.
2. Система теплоснабжения биогазовой установки блочно-модульной конструкции с использованием рекуперации теплоты эффлюента для фермы на 400 го-
лов КРС / Ковалев А.А. и др. // Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 5. С. 61-67.
3. Арбузова Е.В., Щеклеин С.Е. К проблеме энергетической эффективности биогазовых технологий в климатических условиях России // Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 7. С. 129-134.
4. Рекомендации по расчету, проектированию и применению систем электротеплоснабжения животноводческих ферм и комплексов. М., 1983.
5. Использование солнечных теплофотоэлектрических модулей для энергоснабжения биогазовой установки // Науковий вюник Украши. 2016. № 240.
6. Совершенствование технологии анаэробной переработки органических отходов животноводства / Д.А. Ковалев и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2015. № 4(20).
7. Использование солнечных теплофотоэлектрических модулей для энергоснабжения биогазовой установки с тепловым насосом // Инновации в с. х. 2016. № 5(20).
Literatura:
1. Gyunter L.I., Gol'dfarb L.L. Metantenki, M, 1991.
2. Sistema teplosnabzheniya biogazovoj ustanovki bloch-no-modul'noj konstrukcii s ispol'zovaniem rekuperacii te-ploty efflyuenta dlya fermy na 400 golov KRS / Kovalev A.A. i dr. // Al'ternativnaya energetika i ekologiya. 2013. № 5. S. 61-67.
3. Arbuzova E.V., SHCHeklein S.E. K probleme energeti-cheskoj effektivnosti biogazovyh tekhnologij v klimatic-heskih usloviyah Rossii // Al'ternativnaya energetika i ekologiya. 2011. № 7. S. 129-134.
4. Rekomendacii po raschetu, proektirovaniyu i primene-niyu sistem elektroteplosnabzheniya zhivotnovodcheskih ferm i kompleksov. M., 1983.
5. Ispol'zovanie solnechnyh teplofotoelektricheskih mod-ulej dlya energosnabzheniya biogazovoj ustanovki // Na-ukovij visnik Ukrai'ni. 2016. № 240.
6. Sovershenstvovanie tekhnologii anaerobnoj pererabot-ki organicheskih othodov zhivotnovodstva / D.A. Kovalev i dr. // Vestnik VNIIMZH. 2015. № 4(20).
7. Ispol'zovanie solnechnyh teplofotoelektricheskih mo-dulej dlya energosnabzheniya biogazovoj ustanovki s tep-lovym nasosom // Innovacii v s. h. 2016. № 5(20).
USING OF SOLAR COLLECTORS FOR CATTLE FARM HEAT SUPPLY SYSTEM'S ENERGY EFFICIENCY
IMPROVING AT BIOGAS INSTALLATION A.A. Kovalev, candidate of technical sciences A.G. Makarov, magistrant FGBNY FNAC VIM
Abstract. The biogas installation using possibility in conjunction with solar collectors for cattle farm heat supply, that is a source of organic waste processed in a biogas installation, is considered. The heat energy consumption norms according to processes' groups for a number of400 cows on dairy farms in the Central zone are given. The results of calculation of the main energy indicators of the system of compensation of energy needs of cattle farm for 400 heads are presented. The solar collectors system's using at basic technological scheme of cattle farm heat supply by block-and-modular design's biogas installation, as well as its work's description is resulted. It is shown that along with alternative energy sources' various types in relation to the biogas installations' heat supply, it is possible solar collectors' using, that biogas installations' efficiency will increase and biogas consumption's reducing or eliminating for their own thermal needs. The biogas thermal energy and heat obtained from solar collectors for the source substrate heating through a heat exchanger in the pre-heating tank, anaerobic bioreactor's heat losses compensation and cattle farm thermal needs' compensate is used.
Keywords: biogas installations, block-and-modular principle, solar collectors, anaerobic processing.
Journal of VNIIMZH №4(36)-2019
23
