CC BY
0Ю.А. Сергеев, д-р техн. наук, проф., e-mail: Yuruantonovich@mail.ru Бурятская ГСХА им. В.Р. Филиппова, г. Улан-Удэ В.П. Друзьянова, канд. техн. наук, доц., e-mail: druzvar@mail.ru Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, г. Якутск
УДК 631.147
ОБЩАЯ ЦЕЛЕВАЯ ФУНКЦИЯ УСЛОВНОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Использование свежего навоза и птичьего помета (биомассы) в качестве органического удобрения противопоказано как по причине малой эффективности, так и ввиду большой микробиологической опасности для растительной продукции, выращенной с их применением. Одним из способов переработки свежей биомассы является биогазовая технология. Основной и главный узел данной технологии - биоэнергетическая установка. В нее загружается разжиженная свежая биомасса, создаются анаэробные условия, устанавливается постоянная рабочая температура. Эти условия способствуют развитию и размножению метанообразующих бактерий, посредством которых обеззараживается загруженная биомасса до состояния качественного удобрения. Технология способствует соблюдению экологической безопасности, обеспечивает возможность создания энергосберегающего замкнутого производства с получением минерализованного органического удобрения, позволяющего повысить урожайность культур; кормовой витаминной добавки; дополнительного источника энергии в виде биогаза.
Предложена формула, по которой можно определить эффективность использования биогазовой технологии с целью получения биоудобрения и газа.
Ключевые слова: технологические операции, условная продуктивность, биоэнергетическая установка, удобрение, биогаз, затраты, продукция.
Yu.A. Sergeev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
V.P. Druzyanova, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
THE GENERAL CRITERION FUNCTION OF CONDITIONAL EFFICIENCY
OF THE BIOPOWER STATION
The use of fresh manure and poultry manure (biomass) as an organic fertilizer is contraindicated due to a low efficiency, and at a great risk for microbial plant products grown with their application. One way of fresh biomass processing is biogas technology. The main assembly of the technology is a bioenergy plant.The diluted fresh biomass is loaded into it, anaerobic conditions are created, constant working temperature is established. These conditions favor the development and proliferation of methane-bacteria by means of which the loaded biomass is disinfected to a condition of qualitative fertilizer. The technology facilitates compliance with environmental safety, provides the ability to create energy-efficient closed-production to produce a mineralized organic fertilizer, which allows to increase crop yields; fodder vitamin supplements; additional power source in the form of biogas.
The formula is offered, by which it is possible to determine the efficiency of biogas technology to produce gas and biofertilizer.
Key words: technological operations, conditional productivity, bioenergy plant, fertilizer, biogas, costs, products.
Органические удобрения имеют ряд преимуществ перед минеральными. Они являются комплексными, содержат не только все макроэлементы, но и микроэлементы. Основная доля элементов питания связана в них в виде органических соединений, которые становятся доступными растениям постепенно, по мере минерализации их органических форм; содержащаяся в них микрофлора повышает биоактивность почвы; они являются дополнительным источником углекислого газа, необходимого растениям для фотосинтеза.
Однако использование свежего навоза и птичьего помета противопоказано как по причине малой эффективности свежих отходов животноводства в качестве удобрений, так и по большой микробиологической опасности для растительной продукции, выращенной с их применением.
Ведущий советский ученый в области механизации сельского хозяйства С.В. Мельников отмечал, что проблема рационального использования навоза как органического удобрения для создания собственной кормовой базы при одновременном соблюдении требований охраны окружающей среды от загрязнения отходами животноводства имеет исключительно важное народнохозяйственное значение [16]. При этом он говорил о том, что проблема утилизации навоза в целом относится к числу наиболее сложных, так как ее решение находится на стыке различных отраслей научно-технических знаний (биологии, зоотехнии, ветеринарии, мелиорации, химии, физики, медицины, механизации, агрономии).
Комплексное и эффективное решение данной проблемы требует системного подхода, включающего рассмотрения во взаимосвязи производственных операций по всей технологической линии: от стойла животного до места полной реализации навоза с учетом соблюдения требований охраны природы и обеспечения необходимых санитарно-гигиенических условий работы [5, 12,13, 14,15, 17, 22].
Поэтому разработка технологии для утилизации бесподстилочного навоза КРС, не только обеспечивающей соблюдение экологической безопасности, но и способствующей созданию энергосберегающего замкнутого производства с получением минерализованного органического удобрения, позволяющего повысить урожайность культур; кормовой витаминной добавки; дополнительного источника энергии в виде биогаза, является актуальной задачей, имеющей большое научное и практическое значение.
Имеются различные способы и методы переработки бесподстилочного навоза КРС. Однако для природно-климатических условий Сибири и Якутии наиболее подходит анаэробное сбраживание в биоэнергетических установках (БЭУ).
Если сравнить его со всеми другими способами, то процесс анаэробного сбраживания дает возможность утилизировать навоз с получением одновременно трех качественных продуктов: органического удобрения, кормовой биодобавки для вскармливания животным и альтернативного топлива.
Главным узлом БЭУ является метантенк (ферментер, реактор), в котором протекает анаэробный процесс разложения биомассы под воздействием метаногенных бактерий при определенной температуре сбраживания. В настоящее время в мире разработаны и успешно используются различные биогазовые технологии. Основная цель биогазовой технологии -это утилизация отходов и производство органического удобрения, оздоровление экологии. Также попутно образуется биогаз - один из видов альтернативного топлива [18, 19, 20, 21, 26].
Однако с целью пополнения быстро истощающихся запасов энергоносителей ведущие биогазовые страны мира во главу угла ставят получение наибольшего объема газа из органических отходов. Поэтому БЭУ имеют огромные метантенки, занимают достаточно обширные площади. Кроме того, для их бесперебойной работы заготавливаются значительные объемы энергетического растительного сырья. Все это приводит к существенным капитальным затратам на строительство станций по переработке отходов, и, как следствие, такие проекты долго окупаются и требуют государственных дотаций.
Слабой стороной анаэробного сбраживания являются невысокая скорость переработки биомассы и относительно низкое качество получаемого биогаза. Процесс весьма неустойчивый и капризный, что зависит от применяемого температурного режима сбраживания.
Согласно ГОСТ 52808 выделены три температурные режима для оптимизации процесса анаэробного сбраживания: психрофильный - до 20-25 °С; мезофильный - 25-40 °С; термофильный - свыше 40 °С.
Следует отметить, что требования к допустимым пределам колебания температуры для оптимального газообразования тем жестче, чем выше температура процесса сбраживания: при психрофильном температурном режиме - ±2 °С в час; мезофильном - ±1 °С в час; термофильном - ±0,5 °С в [1, 9,11, 23, 24].
Применяемые и действующие в настоящее время биоэнергетические установки представляют собой сложные автоматизированные комплексы, работающие в мезофильном и
термофильном режимах и перерабатывающие большие объемы отходов. Поскольку животноводство республики представлено частными фермерскими хозяйствами и с учетом климатической особенности региона, такие установки считаются неприемлемыми для внедрения в сельскохозяйственный сектор Якутии.
В нашей стране психрофильный режим по сравнению с остальными режимами изучен мало. Данный режим сбраживания широко применяется в Китае, Вьетнаме и Индии в семейных биогазовых установках [2, 3, 4, 6, 7, 8, 11]. Снижение скорости брожения при психро-фильных температурах компенсируется простотой конструкций метантенков и легкостью их эксплуатации. В работе [10] было показано, что основные выходные параметры - выход биогаза, степень разложения органических веществ - в психрофильном режиме работы остаются на таком же уровне, как и в мезофильном, увеличивается только время выдержки сбраживаемого субстрата.
Один из основоположников научного подхода немецкий ученый В. Баадер пишет о том, что для повышения эффективности биогазовой технологии целесообразно [1]:
- проектировать установки с упрощенной эксплуатацией (контроля, управления, регулировки);
- снизить стоимости путем разработки более простых и дешевых емкостей;
- разработки моделей для конкретных технологических решений, предусматривающих различные цели процесса (применение конечных продуктов, защита окружающей среды) и производственное подчинение установки: сельскохозяйственные частные предприятия различного масштаба, производственные объединения (например, для одного села).
Для выбора формы, размеров и конструкции метантенка играют роль степень загрузки рабочего пространства, времени цикла сбраживания и интенсивности перемешивания; применяемая система производства; уровень механизации. Эти факторы определяются условиями производства и целями технологического процесса [1]. Можно достичь существенного снижения энергетических затрат, если экскременты животных на пути к метантенку будут терять по возможности меньше своей естественной теплоты. Поэтому надо стремиться к максимальному уменьшению расстояния между животными и метантенком. Желательно разместить метантенк внутри скотопомещений.
Эффективность БЭУ, на наш взгляд, в первую очередь должна оцениваться с точки зрения производства качественного органического удобрения. Биогаз - это сопутствующий продукт, выход которого находится в прямой зависимости от состава биомассы и температуры сбраживания. Следует отметить, что для производства достаточного объема альтернативного топлива в виде биогаза в установки необходимо дополнительно загружать энергетическую растительную массу: зерно, кукурузу, рапс, свеклу и т.д. [1, 25].
Для базовых биогазовых технологий обобщенная схема технологических процессов состоит из 5 основных этапов: подготовки сбраживаемого субстрата ^ загрузки субстрата в биогазовую установку ^ создание анаэробных условий и процесс разложения субстрата, сопровождающийся подогревом и перемешиванием ^ производство удобрения ^ получение биогаза [25]. Все факторы, оказывающие влияние на технологические операции (этапы), оцениваются качеством их исполнения при минимальных энергетических и материальных затратах. По этим показателям приемлемые технологические процессы должны обеспечить высокий технико-экономический эффект.
Исходя из этого, общая целевая функция Б, руб./т-сут условной продуктивности БЭУ можно представить как сумму продуктивности по биомассе (удобрению) и биогазу:
где Б, Бг, Бу - соответственно целевые функции условной продуктивности БЭУ, по биогазу и удобрениям; Уг - выход биогаза за одни сутки с 1 т массы навоза КРС, м3/т-сут; Сг - цена
(1)
(2) (3)
единицы объема биогаза, руб./м3; Су - цена единицы объема удобрения, руб./м3; Hi=1VrDi -дополнительная продукция биогаза при выполнении /-отрезка (этапа) технологического процесса; Zy=1Zf=1^rij - возможный недобор продукции (биогаза) вследствие несоблюдения j качественного показателя при выполнении /-той технологической операции; Зо - затраты на получение продукции с единицы (биомассы) исходного материала, руб./т-сут; Hi=13D j - дополнительные затраты на /-тую операцию технологии при получении продукции, руб./т-сут; Hi=1H1J=1Vy ij - возможный недобор продукции (удобрения) вследствие несоблюдения j качественного контроля при выполнении /-той технологической операции технологического процесса, м3/т-сут; H]]l=1 VyDi -дополнительная продукция (удобрения) при выполнении /-той операции технологического процесса, м3/т-сут.
Поскольку составляющие
Yi = 1VrDi;
Hi = 1VyDi;
ZfiiZUVrij; Ti=iTj=iVyij;
Hi = 13Di,
входящие в уравнения (2) и (3), являются переменными величинами, то максимум целевых функций Fr и Fy будет при следующих условиях:
Hi=i VrDi ^ шах, Y%=1 VyDi ^ шах; (4)
Zf=i If=i Vr ij ^ min, If=i Vy ij ^ min; (5)
Ibi^D i^min. (6)
Задача разрешима, если при системном ограничении будут выполняться следующие условия:
HU VrDi > 0; Ji=i VrDi • Cr - Hi=i 1T=1 Vnj Cr > HU 3dL (7)
Yi=i VyDi > 0; HU VyDi • Cr - Tl=i Hf=i Vyij Cr > Ii=i 3m. (8)
Таким образом, при поэтапном анализе технологии утилизации навоза в БЭУ целевую функцию по затратам можно представить в виде:
3о(х) = HU Зк (х) = 3i(x) + 32(х) + З3(х) + 34(х) + 35(х) ^ min, (9) где З1(х), З2(х), З3(х), З4(х), З5(х) - затраты на выполнение каждого этапа технологии; К=1, 2, 3, 4, 5 - этапы при выполнении существующей технологии переработки биомассы.
При проведении расчетов по определению значимости каждого этапа в технологии использовались затраты, приходящиеся на выполнение технологической операции.
Выводы
Анализ целевой функции работы биоэнергетической установки показал, что по существующей технологии (технологиям) наибольшие затраты труда приходятся на подогрев и перемешивание перерабатываемой биомассы, т.е. на 3-й этап. В связи с этим предлагаем для снижения затрат на биогазовую технологию применять менее низкие температуры для сбраживания перерабатываемых отходов.
Библиография
1. Баадер В., Бренндерфер Е. Доне. Биогаз: теория и практика / пер. с нем. и предисл. М.И. Серебряного. - М.: Колос, 1982. - 148 с., ил.
2. Биогазовые технологии [Электронный ресурс]: курс лекций / сост. Ю.В. Караева; учр. Рос. акад. наук; Казан. науч. центр. РАН; Исслед. центр проблем энергетики. - Казань, 2013. - 61 с. -URL: http://pandia.org/text/78/567/20920.php (дата обращения 12.04.2015).
3. Лобанок А.Г., Залашко М.В., Анисимова Н.И. и др.; Биотехнология - сельскому хозяйству / под ред. А.Г. Лобанка. - Минск: Ураджай, 1988. - 199 с.
4. Биотехнология: учеб. пособие для вузов. В 8 кн. Кн. 1. Проблемы и перспективы / под ред. Н.С. Егорова, А.В. Олескина, В. Д. Самуилова. - М.: Высш. шк., 1989. - 159 с.; ил.
5. Брагинец Н.В., Палишкин Д.А. Курсовое и дипломное проектирование по механизации животноводства. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1991. - 191 с.
33 Вестник ВСГУТУ. № 2 (59). 2016
6. Бурга Г., Криста Р., Петер В. Биогаз на основе возобновляемого сырья: сравнительный анализ шестидесяти одной установки по производству биогаза в Германии [Электронный ресурс]. - Германия: Спец. агентство возобновляемых ресурсов (FNR), 2010. - 118 c. - URL: http://www.twirpx.com/file/443824/ (режим доступа 10.05.2014).
7. Вакула В. Биотехнология: Что это такое? - М.: Молодая гвардия, 1989. - 301 с.
8. Веденев А.Г., Веденева Т.А. Руководство по биогазовым технологиям. - Бишкек: ДЭМИ, 2011. - 84 с.
9. Волеваха Н.М., Волеваха В.А. Нетрадиционные источники энергии. - М.: Изд-во МЭИ, 1983. -
289 с.
10. Друзьянова В.П. Ресурсосберегающие технологии утилизации бесподстилочного навоза крупного рогатого скота в условиях Республики Саха (Якутия): автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01 / В. П. Друзьянова. - Улан-Удэ: Идз-во ВСГТУ, 2004. - 24 с.
11. Инновационное развитие альтернативной энергетики. В 2-х ч. / М-во сел. хоз-ва Рос. Федерации, Федер. гос. науч. учреждение «Рос. науч.-исслед. ин-т информации и техн.-экон. исслед. по инженер.-техн. обеспечению агропром. комплекса» (ФГНУ «Росинформагротех»). - М.: ФГНУ «Ро-синформагротех», 2010. - Ч. 1. - 348 с.
12. Ковалев Н.Г., Глазков И.К. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах. - М.: Агропромиздат, 1989. - 160 с.; ил.
13. Коваленко В.П. Механизация обработки бесподстилочного навоза. - М.: Колос, 1984. -159 с.; ил.
14. Комплекс мероприятий по биологическому обеззараживанию и переработке навоза и птичьего помета в условиях Якутии: метод. рекомендации / РАСХН. Сиб. отд-ние НПО «Якутское»; Якут. НИИСХ. - Новосибирск, 2000. - 16 с.
15. Лукьяненков И.И. Перспективные системы утилизации навоза (в хозяйствах Нечерноземья). -М.: Россельхозиздат, 1985. - 176 с.; ил.
16. Мельников С.В. Технологическое оборудование животноводческих ферм и комплексов. -2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Агропромиздат, 1985. - 640 с.
17. Методические рекомендации по проектированию систем удаления, обработки, обеззараживания, хранения и утилизации навоза и помета / разраб.: Н.Г. Ковалев, Н.С. Максимовский, И.К. Глазков и др.; утв. М-вом сель. хоз. СССР 28 сент. 1981 г. и ВАСХНИЛ 19 августа 1981 г.
18. Мишунин И.Ф., Шевченко М.И. Этюды о биотехнологии / отв. ред. В.К. Лишко. - Киев: На-укова думка, 1989. - 152 с.
19. Мовсесов Г.Е., Павличенко В.Н. Исследования экологической эффективности БЭУ // Тез. докл. республ. конф. - Кишинев, 1988. - С. 67-70.
20. Муромцев Г. Сельскохозяйственная биотехнология: состояние, перспективы развития // Международный сельскохозяйственный журнал. - 1986. - № 3. - С. 56-61.
21. Муругов В.П., Каргиев В.М. Методология развития автономных энергосистем в сельском хозяйстве с использованием возобновляемых источников энергии. - СПб., 1993.
22. Навозохранилище для ферм и комплексов крупного рогатого скота Республики Саха (Якутия): метод. рекомендации / РАСХН. Сиб. отд-ние НПО «Якутское» ; Якут. НИИСХ. - Якутск, 1993. - 12 с.
23. Нетрадиционные источники энергии: рекоменд. библиогр. обзор / сост. Л.М. Кузнецова. -М.: Книга, 1984.
24. Нетрадиционные источники энергии. - М.: Знание, 1985. - 95 с.
25. Сергеев Ю.А., Друзьянова В.П. Технология анаэробного сбраживания бесподстилочного навоза крупного рогатого скота // Аграрная наука. - 2015. - № 5. - С. 24-26.
26. Янко В.Г., Янко Ю.Г. Обработка сточных вод и осадка в метантенках. - Киев: Будивельник, 1978. - 120 с.
Bibliography
1. Baader V., Done E. Biogas: theory and practice / Brennderfer; transl. from German and foreword of M.I. Serebryanyi. - M.: Kolos, 1982. - 148 p.; il.
2. Biogas technologies [An electronic resourse]: course of lectures / author Yu.V. Karaeva ; RAS; Kazan. scientific center. RAS; Research center of power problems. - Kazan, 2013. - 61 p. - URL: http://pandia.org/text/78/567/20920.php (12.04.2015).
3. Lobanok A.G., Zalashko M.V., Anisimova N.I. et al. Biotechnology - to agriculture / under the editorship of. A.G. Lobanka. - Minsk: Uradzhai, 1988. - 199 p.
4. Biotechnology: manual for higher education institutions. In 8 books. Book 1. Problems and prospects / under the editorship of N.S. Egorova, A.V. Oleskin, V.D. Samuilov. - M.: Vyssh. shk. 1989. -159 p.; il.
5. Braginets N.V., Palishkin D.A. Course and degree design on mechanization of animal husbandry. -3rd corrected and expanded ed. - M.: Agropromizdat, 1991. - 191 p.
6. Burga G., Christa R., Petter W. Biogaz on the basis of renewable raw materials: The comparative analysis of sixty one installations on production of biogas in Germany [An electronic resource]. - Germany: Special agency of renewable resources (FNR), 2010. - 118 p. - URS: http://www.twirpx.com/file/443824/ (5.10.2014).
7. Vakula V. Biotechnology: What is it? - M.: Molodaya Gvardiya, 1989. - 301 p.
8. Vedenev A.G., Vedeneva T.A. Manual on biogas tehnologies. - Bishkek: DEMI, 2011. - 84 p.
9. VolevakhaN.M., Volevakha V.A. Nonconventional power sources. - M.: MEI, 1983. - 289 p.
10. Druzyanova V.P. Resource-saving technology of manure utilization of cattle in the conditions of the Republic of Sakha (Yakutia): author's abstract of dis. ... cand. Engin. Sc.: 05.20.01 / V.P. Druzyanova. -Ulan-Ude: ESSTU Publishing, 2004. - 24 p.
11. Innovative development of alternative power engineering: sc. publ.: [in 2 p.] /Ministry of Agriculture of the RF, FSSI "Rosinformagrotekh". - M.: FSSI "Rosinformagrotekh", 2010. - P. 1. - 348 p.
12. Kovalyov N.G., Glazkov I.K. Design of systems of utilization of manure on complexes. - M.: Agropromizdat, 1989. - 160 p.; il.
13. Kovalenko V.P. Mechanization of manure processing. - M.: Kolos, 1984. - 159 p.; il.
14. A complex of actions for biological disinfecting and processing of manure and a bird's dung in the conditions of Yakutia: method. recommendations / Russian Academy of Agrarian Sciences. Sib. dep. "Ya-kutskoye"; Yakut. NIISH. - Novosibirsk, 2000. - 16 p.
15. Lukyanenkov I.I. Perspective systems of utilization of manure (in farms of Non-Black Earth Region). - M.: Rosselkhozizdat, 1985. - 176 p.; il.
16. Mel'nikov S.V. Processing equipment of livestock farms and complexes. - 2nd corrected and expanded ed. - Leningrad: Agropromizdat, 1985 - 640 p.
17. Methodical recommendations about design of systems of removal, processing, disinfecting, storage and utilization of manure and dung / authors: N.G. Kovalyov, N.S. Maksimovsky, I.K. Glazkov et al.; appr. by Ministry of Agriculture of the USSR on the 28 of September, 1981 and VASHNIL on August 19, 1981.
18. Mishunin I.F., Shevchenko M.I. Etudes about biotechnology (biotechnologies) / edition of V.K. Lishko. - Kiev: Nauchnaya dumka, 1989. - 152 p.
19. Movsesov G.E., Pavlichenko V.N. Researches of ecological efficiency of BEU // Theses of reports of republican conference. - Kishinev, 1988. - P. 67-70.
20. Muromtsev G. Agricultural biotechnology: state, prospects of development // International agricultural journal. - 1986. - N 3. - P. 56-61.
21. Murugov V.P., Kargiyev V.M. Methodology of development of autonomous power supply systems in agriculture with use of renewables. - SPb., 1993.
22. Manure storage for farms and complexes of cattle of the Republic of Sakha (Yakutia): method. recommendations / Russian Academy of Agrarian Sciences. Sib. dep. NPO "Yakutskoye"; Yakut. NIISH. -Yakutsk, 1993. - 12 p.
23. Nonconventional power sources: rec. bibl. review / author L. M. Kuznetsova. - M.: Kniga, 1984.
24. Nonconventional power sources. - M.: Znanie, 1985. - 95 p.
25. Sergeyev Yu.A., Druzyanova V.P. Technology of an anaerobic fermentation of manure of cattle // Agrarian science. - 2015. - N 5. - P. 24-26.
26. Janko V.G., Janko Yu.G. Processing of sewage and a deposit in the metantenkakh. - Kiev: Budiv-elnik, 1978. - 120 p.
