CC BY
13ПРОБЛЕМЫ
НЕФТЕГАЗОВОЙ И УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
PROBLEMS OF OIL, GAS AND COAL INDUSTRY
Статья поступила в редакцию 30.06.11. Ред. рег. № 1058 The article has entered in publishing office 30.06.11. Ed. reg. No. 1058
УДК 620.91
К ПРОБЛЕМЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ РОССИИ
Е.В. Арбузова, С.Е. Щеклеин
ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» 620002 Екатеринбург, ул. Мира, д. 19 Тел.: (343) 375-95-08, факс: (343) 375-97-37, e-mail: aes@mail.ustu.ru
Заключение совета рецензентов: 05.07.11 Заключение совета экспертов: 10.07.11 Принято к публикации: 12.07.11
Представлены результаты анализа энергетической эффективности биотехнологий в зависимости от климатических факторов, определена возможная эффективность их применения в различных регионах РФ, выявлены возможные направления оптимизации биотехнологий. Определен показатель энергетической эффективности биотехнологии для биогазовой системы без рекуперации тепла и с рекуперацией тепла. Получены оптимальные геометрические соотношения размеров реактора.
Ключевые слова: климатическое районирование БГУ, БГУ в России, эффективность БГУ, биогазовые установки, климатические зоны РФ, биотехнология.
ABOUT THE PROBLEM OF BIOGAS TECNOLOGIES ENERGY EFFICIENCY
IN RUSSIA CLIMATIC CONDITIONS
E.V. Arbuzova, S.E. Scheklein
Ural Federal University named after the First Presidend of Russia B.N. Yeltsin 19 Mira str., Yekaterinburg, 620002, Russia Tel.: (343) 375-95-08, fax: (343) 375-97-37, e-mail: aes@mail.ustu.ru
Referred: 05.07.11 Expertise: 10.07.11 Accepted: 12.07.11
Results of the biotechnology energy efficiency analysis from climatic factors are presented, the probable efficiency of application in different regions of Russian Federation are determined, probable directions of biotechnology optimization are detected. The factor of biotechnology energy efficiency for system with heat recuperation and for system without heat recuperation is determined. Optimum geometric relationships are detected.
Keywords: BGP climatic regionalization, BGP of Russian Federation, BGP efficiency, biogas plants, climatic zones of Russian Federation, biotechnology.
Елена Валерьевна Арбузова
Сведения об авторе: ассистент кафедры «Атомная энергетика» Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. Призер всероссийских выставок и конференций, имеет грамоты.
Образование: Уральский государственный технический университет (УГТУ-УПИ) (2004 г.).
Область научных интересов: малая и нетрадиционная энергетика, энергетический анализ эффективности установок нетрадиционной энергетики, биоэнергетика.
Публикации: 11.
Сергей Евгеньевич Щеклеин
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Атомная энергетика» УГТУ-УПИ. Научный руководитель ряда реализованных инновационных проектов, в т.ч. «Энергоэффективный дом для села», «Системы солнечного энергоснабжения автономных потребителей специального назначения», «Солнечные системы охранной сигнализации» и др.
Член редколлегии журнала «Известия вузов. Ядерная энергетика», сборника трудов УГТУ-УПИ «Теплофизика ядерных энергетических установок», научно-технического журнала «Энергоэффективность и анализ». Заслуженный энергетик России, действительный член Международной энергетической академии.
Образование: Уральский политехнический институт (УГТУ-УПИ) (1972 г.)
Область научных интересов: термодинамика ядерных энергетических установок, проблемы атомной энергетики и теплофизики двухфазных потоков, продление ресурса и повышение надежности оборудования АЭС, солнечная энергетика, ветровая энергетика, биоэнергетика.
Публикации: более 350, в том числе 2 монографии, 12 изобретений.
Биогазовые (БГ) технологии относят к возобновляемым источникам энергии, т.к. сырьевой базой для их работы являются воспроизводимые в природном цикле растительные либо животные органосодержа-щие биомассы [1-3].
В ряду известных возобновляемых источников энергии биогазовые установки (БГУ) обладают свойством максимальной устойчивости и слабой зависимости от стохастического характера изменения сырьевого потенциала.
Важнейшей проблемой возможности реализации биогазовой технологии считается зависимость эффективности БГУ от климатических факторов. В первую очередь - от температуры окружающей среды, т.к. используемое в современных БГУ явление бактериального метаногенеза возникает при особых условиях (отсутствие кислорода, повышенная температура, высокая влажность, необходимость непрерывной гомогенизации и пр.).
По мнению ряда авторов, энергия полученного биогаза не покрывает затрат, необходимых для поддержания данных условий. Во многом данное мнение привело к широкому использованию биогазовых установок только в регионах и странах с теплым климатом [2].
Целью настоящей работы является анализ энергетической эффективности БГ технологий в зависимости от климатических факторов; определение возможной эффективности их применения в различных регионах РФ; выявление возможных направлений оптимизации БГ технологий.
В соответствии с [4-5] определим показатель энергетической эффективности биогазовой технологии как отношение энергии получаемого биогаза (0бг) к общим затратам энергии, требуемым для его получения (Есн):
^эф - QbJE*
(1)
Принято, что технология является энергетически эффективной, если Кэф > 1, т.е. количество полученной энергии превышает совокупные затраты на обеспечение технологии.
Энергетический потенциал полученного биогаза:
06г = №
(2)
где й6У - теплотворная способность биогаза, МДж/м ; ¥6т - объем произведенного биогаза, м3.
В общем виде объем биогаза, получаемого из сырья определенного типа, можно определить по формуле:
V6r = (1 -Ф р)M р и™ а разл (т),
(3)
где Мр - масса влажного биологического субстрата; фр - влажность субстрата; и"™ - удельный выход биогаза с массы сухого органического вещества (СОВ), м3/т; аразл(т) - степень разложения за цикл сбраживания.
В табл. 1 приведены характерные объемы и скорости выхода биогаза по данным [6-8].
Характерные объемы и скорости выхода биогаза Characteristic biogas volumes and release rates
Таблица 1 Table 1
Тип сырья Полный объем выхода биогаза, м3/т СОВ Режим * Процент выхода при длительности сбраживания, сут
10 15 20 40 60
Навоз крупного П 12 19 25 50 76
300 М 32 49 65 83 87
рогатого скота (КРС) Т 49 75 86 99 98
Солома 350 П, М, Т 29 38 45 88 96
Трава 490 П, М, Т 87 99 100
* П - психрофильный, М - мезофильный, Т - термофильный режим. СОВ - сухое органическое вещество.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (99) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Известно, что для навоза КРС при отсутствии ингибиторов процесса, оптимальных значениях рН(7-8) и влажности сырья (90-98%) степень разложения и выход биогаза достигают 45-55% от полного за время цикла. Оптимальные параметры циклов переработки для различных режимов сбраживания приведены в табл. 2 по данным [2, 6-8].
Расход энергии на собственные нужды БГ технологии Есн складывается из расхода тепла Qн для на-
грева биомассы и воды, разбавляющей биомассу до оптимальной влажности, компенсации тепловых потерь от биореактора и другого оборудования БГУ в окружающую среду; расхода электрической энергии Эсн на подготовку (измельчение, смешение), подачу, удаление и периодическое перемешивание сырья и субстрата в БГУ, работу контрольно-измерительных приборов и аппаратов (КИП и А).
Таблица 2
Оптимальные параметры циклов переработки для различных режимов сбраживания
Table 2
Optimal parameters of recycling for fermentation various regimes
Режим Оптимальная температура /, °с Оптимальная влажность Фр Оптимальная длительность цикла Tj, сут
Психрофильный 20 0,90-0,96 75
Мезофильный 35 0,90-0,96 25
Термофильный 55 0,90-0,96 15
Для корректной оценки расходы энергии всех видов (химической, тепловой, механической, электрической) должны быть приведены к одному (например тепловому) эквиваленту:
Е = El. + EZ
(4)
Технологическая схема БГ технологии приведена на рис. 1.
Рис. 1. Технологическая схема простейшей БГУ: 1 - смеситель; 2 - биореактор; 3 - нагреватель Fig. 1. Manufacturing circuit of elementary BGP: 1 - mixer; 2 - bioreactor; 3 - heater
на с окружающей средой и коэффициент температурного сопротивления контура тепловой защиты.
Расход электрической энергии на собственные нужды технологии:
Э = Э + Э + Э + Э + Э
^сн ^см ^нас! ^'нае2 ^метп
(6)
где Эсм = аМрпсм - расход энергии на смешение и измельчение субстрата; Энас1 = Я-МрЯрпнас1 - расход энергии на заполнение биореактора; Энас2 = gMрHрnна¡с2 -расход энергии на опорожнение биореактора; Эмеш = = н^МН^Пъкпп - расход энергии на перемешивание в биореакторе; ц - количество циклов перемешивания за время работы биореактора; Нр - высота перемещения биомассы для заполнения, опорожнения и перемешивания в объеме биореактора, м; Псм, Пнас1, Пнас2, Пмеш -коэффициенты полезного действия не более 0,8.
Оценка потребности в тепловой энергии для производства требуемого объема электрической должна производиться с учетом эффективности современных электроэнергетических технологий, характеризуемых КПД ТЭС и АЭС.
Достигнутый уровень Пэс = 0,35 позволяет определить тепловой эквивалент затраченной электрической энергии:
Расход тепловой энергии на собственные нужды технологии:
Е1 = Q = Q + Q
сн -г^сн -г^нагр -«-'ПС
(5)
где Qнагр = CM(ti - 4уб), Дж; Q^t = (F/R)(ti - /нар), Дж; /нар - температуры в биореакторе, входящего
ti, t
Есн Эсн/Пэ
(7)
Ь 'суб, 'нар
субстрата заданной влажности и окружающей среды соответственно; Ср, Мр - теплоемкость и масса субстрата в биореакторе; ¥, Я - поверхность теплообме-
Т.к. биогазовые технологии предназначены для работы в течение года, целесообразно определение их эффективности в годовом цикле работы. В этом случае годовые объемы энергии биогаза и расходов энергии на собственные нужды технологии могут быть определены путем интегрирования соответствующих функций с учетом зависимостей температур сред и наружного воздуха за период.
В общем виде:
0Г = by J (1 -Фр)Мри-аразл(T)dт = й-иудМр (1 -Фр);
(8)
Есн =J СМрГ^(( -.суб) + ^( -/Д) о р р 1 I 1-Ф0 1 1-Ф0
= СрМр
Фр ^Фс Ф0
Фр
Ф0
FT
и, -/ (t, -/Д)
(( - tH (т)) + Л-с'Мрgh [2nH'n, + nMПм1 ]| dТ = R - (( - ~н) + П-1Мрgh [2П-Ч + «мПм1 ] , (9)
R
FT
где п = Ггод/т/ - годовое количество загрузок; ^ [ ((т)ёт - среднегодовая температура окружающей
Т„ :
т„„
среды; и (т) = umax а (т); и = , „
' уд V / уд разл V / ^ уд T J УД разл
1
T
год 0
J umaxа (т)dт = umaxа .
I уд разл V / уд разл
Таким образом:
¡г^год _ K эф =■
n1(1 -Фр)Мр V:
СрМ р «]
1 Фр.( -/U^^L( -/Д) + ^( -т) + кмgh[2П-1« , + n ]
\ 1 Ф ) 1 -Ф V 1 в ) R V 1 н/ к р° [ ] м1м ]
1 -Ф0
(10)
Следует отметить, что для биогазовых реакторов негодовой температуры от интегрального показателя эффективность существенно зависит от масштабного суровости климата - ГСОП (градусо-сутки отопи-
фактора, определяющего соотношение объема и поверхности теплообмена.
Оптимизация тепловых потерь реактора по методике [9], основанной на решении вариационной задачи отыскания условий dQuajdV = min, позволяет получить геометрические соотношения размеров реактора в виде
\2/3
тельного периода), широко используемого в строительной теплофизике.
Данная зависимость аппроксимируется уравнением
/н = 16,5 - 2,7-10-3 ГСОП.
(11)
На рис. 3 приведены результаты зависимости Кэф ^опт = 5,6(Мр/р)23 - поверхн°сть теплообмена с окру- от ГСОП для характерных режимов метангенерации
ра, м; d^ = 1,22(Мр/р) - диаметр реактора, м.
жающей средой, м ; йоШ = 0,86(Мр/р) - высота реакто- для технологической схемы рис. 1. Расчет выполнен \1/3 „ „„ „ для навоза КРС начальной влажностью (ф0) 70%.
Влажность субстрата в биореакторе (фр) принята 91,4%. Термическое сопротивление минимальное (Я = 0,2, т.е. теплоизоляция отсутствует).
Рис. 2. Зависимость среднегодовой температуры от ГСОП Fig. 2. Dependence of average annual temperature from heating period degree day
Влияние климатических факторов на тепловые потери биореактора проявляется вследствие годового изменения температуры окружающей среды. Для удобства использования были выполнены расчеты и получена корреляционная зависимость (рис. 2) сред-
Рис. 3. Зависимость Кэф от ГСОП для биореактора (рис. 1): 1 - для психрофильного режима метангенерации;
2 - для мезофильного режима метангенерации;
3 - для термофильного режима метангенерации Fig. 3. Dependence of factor of energy efficiency from heating period degree day for biogas plant (Fig. 1): 1 - for psychrophilic regime; 2 - for mesophilous regime; 3 - for thermophilic regime
of anaerobic fermentation
T
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (99) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Представленный график подтверждает, что эффективность биореактора подобного типа крайне низка и уже при ГСОП > 2000 для ряда режимов становится Кэф < 1, что указывает на энергетическую неэффективность данных режимов. Некоторая эффективность достигается в диапазоне ГСОП < 6000 лишь для мезофильного режима метангенерации.
Анализ вклада отдельных составляющих показывает, что наибольшие потери связаны с необходимостью нагрева биомассы и разбавляющей воды, а также поддержания требуемой температуры в течение всего времени цикла брожения. Результаты расчетов для характерных регионов РФ приведены на рис. 4.
Рис. 4. Доля затрат энергии на обеспечение работы установки в течение года: Юг: ГСОП=2000; Урал: ГСОП = 6000; Север: ГСОП=12 000 Fig. 4. Part of energy expenditure on operability assurance of biogas plant in the course of year: the South: heating period degree day = 2000; Ural: heating period degree day = 6000; the Noth: heating period degree day = 12 000
В то же время, как указывалось ранее, исходную биомассу животноводческих хозяйств для получения наиболее благоприятных условий метаногенеза требуется преобразовывать в жидкое состояние, повышая его массовую влажность до оптимального уровня (табл. 2), как правило, выше 90% [2].
Данное обстоятельство позволяет реализовать простую и эффективную систему рекуперации тепла, отделяя добавочную воду (использовавшуюся для разбавления) в сепарационном устройстве [10], и направлять ее с температурой, соответствующей параметрам процесса, в узел приготовления субстрата для следующего цикла работы реактора. В этом случае нагрев полного объема среды в реакторе будет производиться лишь в одном (первом) загрузочном цикле. В последующих циклах расход энергии будет формироваться только нагревом биомассы с фермы, имеющей умеренную влажность, и компенсацией тепловых потерь реактора в период работы.
Принципиальная технологическая схема такой биогазовой установки с применением эффективной тепловой изоляции (Я > 2) приведена на рис. 5.
Рис. 5. Принципиальная технологическая схема биогазовой технологии с рекуперацией тепловой энергии методом сепарации и возврата воды в цикл: 1 - смеситель; 2 - биореактор; 3 - нагреватель; 4 - сепаратор Fig. 5. Schematic manufacturing circuit of biotechnology with recuperation of heat energy by separation and water return in cycle method: 1 - mixer; 2 - bioreactor; 3 - heater; 4 - separator
Применение к данной схеме описанной выше методики оценки энергетической эффективности позволило получить следующее соотношение:
¡Г^ГОД _
K эф -■
.(1 -Фр) М
и bor
р уд уд
Ср Mр
1 -Фр
1 -Фо
1 -Фо
FT
го
~я
-( -Í) + KкМрgh [(2л-1 + Л-1)«j + «мПм1 ]
(12)
На рис. 6 приведены результаты зависимости Кэф от показателя ГСОП при характерных режимах ме-тангенерации для технологической схемы рис. 5. Расчет выполнен для тех же условий, что и для схемы рис. 1, за исключением коэффициента температурного сопротивления контура тепловой защиты, который в данном случае принят как Я = 2.
Из графика видно, что эффективность технологии существенно возрастает и для режимов 2, 3 становится соизмеримой с эффективностью добычи и дос-
тавки традиционных ископаемых топлив [11-12]. Зависимость эффективности биогазовой технологии от климатического фактора для всех режимов мета-ногенеза становится слабовыраженной и для наиболее быстропротекающих термофильного и мезо-фильного режимов метаногенеза не превышает 10%, что указывает на возможность использования данных технологий в климатических условиях, характерных для всей территории РФ.
ICI ш
Рис. 6. Зависимость показателя эффективности Кэф
от ГСОП для оптимизированного биореактора рис. 5:
1 - для психрофильного режима метангенерации;
2 - для мезофильного режима метангенерации;
3 - для термофильного режима метангенерации Fig. 6. Dependence of factor of energy efficiency from heating
period degree day for optimized biogas plant (Fig. 5):
1 - for psychrophilic regime; 2 - for mesophilous regime;
3 - for thermophilic regime of anaerobic fermentation
Выводы
1. Использование биогазовых технологий в РФ требует создания специальных конструкций биогазовых установок с рекуперацией тепла и высокой степенью тепловой защиты (R > 2). При этом коэффициенты энергетической эффективности для всех режимов метаногенеза будут иметь достаточно высокие значения.
2. Вырождение для оптимизированных конструкций зависимости Кэф от ГСОП указывает на возможность использования всех режимов метангенерации в климатических условиях РФ.
3. Дальнейшее повышение эффективности биогазовых технологий может быть связано с разработкой более активных бактериальных штаммов и применением в технологических схемах установок когенера-ционных принципов с использованием части производимой тепловой энергии для обеспечения собственных нужд технологий.
Список литературы
1. Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008.
2. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика: Пер. с нем. М.: Колос, 1982.
3. Биомасса как источник энергии: Пер. с англ. / Под ред. Соуфера С., Заборски О. М.: Мир, 1985.
4. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. Пер. с англ. В 2-х частях. Ч. 2. М.: Мир, 1989.
5. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. М.: КолосС, 2004.
6. Панцхава Е.С., Пожарнов В. А. Вклад биомассы в мировое производство энергии // "Коммерческая биотехнология".
7. Гааб А.Я. Перспективы использования биогаза на примере Орловской области / Сборник докладов международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ЛГТУ «Энергетика и энергоэффективные технологии». Липецк: ЛГТУ, 2006. С. 29-31.
8. Ковалев А.А. Технологии и технико-энергетическое обоснование производства биогаза в системах утилизации навоза животноводческих ферм: дисс. д-ра техн. наук. Москва, 1998.
9. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: Издательство МЭИ, 2001.
10. Лукьяненко В.М., Таранцев А.В. Промышленные центрифуги. М.: Химия, 1974.
11. Борисов С. А., Мартемьянова Е.С. Экологические аспекты энергообеспечения северных территорий в контексте устойчивого развития // Вестник МГТУ. 2006. Том 9, № 3. С. 486-497.
12. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки. М.: Агропромиздат, 1987.
13. Безруких П.П., Арбузов Ю.Д. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России /Под ред. Безруких П.П. СПб.: Наука, 2002.
14. Безруких П.П. Об оценке энергетической эффективности солнечных и ветровых установок / Под ред. Безруких П.П., Бушуев Д.А. // Вестник МЭИ. 2006. № 1. C. 40-43.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (99) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
