ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ НАГРЕВА СУБСТРАТА В БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКЕ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

естник АПК

Ставрополья

№ 4(44), 2021

УДК 662.767.2

DOI: 10.31279/2222-9345-2021-10-43-9-14

Дата поступления статьи в редакцию: 15.10.2021 г.

С. К. Шерьязов, О. С. Пташкина-Гирина, В. В. Васенев, Ж. Б. Телюбаев, Е. В. Арбузова

Sheryazov S. K., Ptashkina-Girina O. S., Vasenev V. V., Telyubaev Zh. B., Arbuzova E. V.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ НАГРЕВА СУБСТРАТА В БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКЕ

DETERMINATION OF THE HEATING POWER OF THE SUBSTRATE IN A BIOGAS PLANT

Рассматривается биогазовая технология, как важное направление в возобновляемой энергетике. Для повышения ее эффективности необходимо выбрать биогазовую установку с оптимальными параметрами на стадии проектирования. Недостаточные исследования требуют разработки методики, которая учитывала бы климатические условия и режимы эксплуатации биогазовых установок. В процессе переработки наиболее энергоемким является нагрев биомассы в биореакторе до необходимой температуры брожения и на компенсацию тепловых потерь. Важно при этом различать пусковые и установившиеся режимы работы биогазовых установок. На потребную мощность влияет условие загрузки биомассы. В непрерывном или периодическом процессе загрузки биомассы потребная мощность будет отличаться и в последующем повлияет на выбор нагревателя по мощности. Для оценки влияния разных режимов работы биогазовых установок на потребную мощность для нагрева биомассы введен показатель, учитывающий отношение пусковой мощности к мощности установившегося режима. В ходе исследования в качестве примера рассмотрен реактор на 100 м3 с различными внутренними и внешними конструктивными и режимными параметрами. В результате исследования сделан ряд важных выводов: отопительная мощность биогазовой установки в мезофильном режиме при непрерывном и периодическом процессах и в термофильном режиме при периодическом процессе определяется по пусковому режиму; для термофильного режима при непрерывном процессе работы биогазовой установки отопительная мощность находится по установившемуся режиму; в мезофильном режиме при непрерывном процессе загрузка реактора на 70 % или 90 % в меньшей степени влияет на выбор мощности нагрева, чем температура окружающей среды; в термофильном режиме при непрерывном процессе отношение мощностей с увеличением толщины тепловой изоляции реактора имеет практически одинаковый, по значениям, нисходящий характер для вариантов загрузки реактора на 70 % или 90 % и для рассматриваемых диапазонов температур окружающей среды (от +30 °С до -30 °С). Комплексная методика проектирования биогазовой установки позволит определить оптимальные параметры для повышения ее эффективности.

Ключевые слова: биореактор, утилизация отходов, биогазовые установки, мезофильный режим, термофильный режим, загрузка реактора, пусковая мощность, нагрев биомассы.

The article discusses biogas technology as an important direction in renewable energy. To improve its efficiency, it is necessary to choose a biogas plant with optimal parameters at the design stages. Insufficient research requires the development of a methodology that would take into account climatic conditions and operating modes of biogas plants. In the process of processing, the most energy-intensive is the heating of biomass in the bioreactor to the required fermentation temperature and to compensate for heat losses. At the same time, it is important to distinguish between start-up and steady-state modes of operation of biogas plants. The required power is influenced by the biomass loading condition. In a continuous or intermittent process of loading biomass, the required power will differ and subsequently will affect the choice of the heater in terms of power. To assess the effect of different modes of operation of biogas plants on the required power for heating biomass, an indicator was introduced that takes into account the ratio of the starting power to the power of the steady state. In the course of the study, a 100 m3 reactor with various internal and external design and operating parameters was considered as an example. As a result of the study, a number of important conclusions were made: the heating capacity of a biogas plant in a mesophilic mode with continuous and periodic processes and in a thermophilic mode with a periodic process is determined by the start-up mode; for a thermophilic mode with a continuous operation of a biogas plant, the heating power is in a steady state; in the mesophilic mode with a continuous process, the reactor loading by 70 % or 90 % affects the choice of heating power to a lesser extent than the ambient temperature; In a thermophilic mode with a continuous process, the ratio of powers with an increase in the thickness of the thermal insulation of the reactor has almost the same, in terms of values, a descending character for the options for loading the reactor by 70 % or 90 % and for the considered ranges of ambient temperatures (+30 °C to -30 °C). A comprehensive methodology for the design of a biogas plant will determine the optimal parameters to improve its efficiency.

Key words: bioreactor, recycling, biogas plants, mesophilic regime, thermophilic mode, loading the reactor, starting power, heating biomass.

Шерьязов Сакен Койшыбаевич -

доктор технических наук, профессор кафедры

энергообеспечения и автоматизации технологических

процессов института агроинженерии

ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный

аграрный университет»

г. Челябинск

РИНЦ-код: 9322-7430

Тел.: 8-900-024-34-42

E-mail: sakenu@yandex.ru

Sheryazov Saken Koyshybaevich -

Doctor of Technical Sciences, Professor of the

Department of Energy Supply and Automation

of Technological Processes

Institute of Agricultural Engineering

FSBEI HE «South Ural State Agrarian University»

Chelyabinsk

RSCI-code: 9322-7430

Tel.: 8-900-024-34-42

E-mail: sakenu@yandex.ru

научно-практическии журнал

Пташкина-Гирина Ольга Степановна -

кандидат технических наук, доцент кафедры

энергообеспечения и автоматизации технологических

процессов института агроинженерии

ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный

аграрный университет»

г. Челябинск

РИНЦ-код: 8852-9950

Тел.: 8(351)263-28-03

E-mail: kea@sursau.ru

Васенев Виталий Васильевич -

соискатель кафедры энергообеспечения и автоматизации технологических процессов института агроинженерии

ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный

аграрный университет»

г. Челябинск

РИНЦ-код: 3525-9278

Тел.: 8-922-734-49-92

E-mail: vitvasenev@mail.ru

Телюбаев Жаслан Барлыкович -

соискатель кафедры энергообеспечения и автоматизации технологических процессов института агроинженерии

ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный

аграрный университет»

г. Челябинск

РИНЦ-код:1297-5622

Тел.: 8(351)263-28-03

E-mail: kea@sursau.ru

Арбузова Елена Валерьевна -

соискатель кафедры атомных станций и возобновляемых источников энергии энергетического института

ФГБОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» г. Екатеринбург РИНЦ-код: 8289-2454 Тел.: 8(343)375-97-37

Ptashkina-Girina Olga Stepanovna -

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

of the Department of Energy Supply and Automation

of Technological Processes

Institute of Agricultural Engineering

FSBEI HE «South Ural State Agrarian University»

Chelyabinsk

RSCI-code: 8852-9950

Tel.: 8(351)263-28-03

E-mail: kea@sursau.ru

Vasenev Vitaly Vasilievich -

Applicant of the Associate Professor

of the Department of Energy Supply and Automation

of Technological Processes

Institute of Agricultural Engineering

FSBEI HE «South Ural State Agrarian University»

Chelyabinsk

RSCI-code: 3525-9278

Tel.: 8-922-734-49-92

E-mail: vitvasenev@mail.ru

Telyubaev Zhaslan Barlykovich -

Applicant of the Associate Professor

of the Department of Energy Supply and Automation

of Technological Processes

Institute of Agricultural Engineering

FSBEI HE «South Ural State Agrarian University»

Chelyabinsk

RSCI-code: 1297-5622

Tel.: 8(351)263-28-03

E-mail: kea@sursau.ru

Arbuzova Elena Valeryevna -

Аpplicant of the Departments

Оf Nuclear Power Plants and Renewable

Energy Sources of the Energy Institute

FSBEI HE «Ural Federal University

named after the first President of Russia B. N. Yeltsin»

Ekaterinburg

RSCI-code: 8289-2454

Tel.: 8(343)375-97-37

В мировой практике утилизации сельскохозяйственных отходов известно использование биогазовых установок, которые позволяют получить биогаз (горючий газ) и органические удобрения [1-3].

Несмотря на все положительные стороны использования данных установок, внедрение и опыт использования их в сельском хозяйстве России сдерживается недостаточной разработкой методики проектирования биогазовых установок, которая учитывала бы не только климатические условия, но режимные параметры процессов [4-8].

В проектировании рассматриваемой установки важным является выбор необходимой мощности для нагрева биомассы в реакторе с учетом режима ее работы [1, 7, 8]. При этом следует различать пусковые и установившиеся режимы работы биогазовой установки в мезо-фильном и термофильном температурных режимах.

В пусковом режиме мощность нагревателя выбирается так, чтобы за заданный промежуток времени субстрат в биореакторе был нагрет до необходимой температуры [4, 5]. Возможно, эта же мощность будет использована и в установившемся режиме работы биогазовой уста-

новки. Здесь и возникает логический вопрос: как определить необходимую мощность нагревателя биореактора.

Цель исследования - определение потребной мощности для нагрева субстрата в зависимости от режимных и конст-руктивных параметров биогазовой установки в процессе утилизации сельскохозяйственных отходов.

Потребная мощность для нагрева субстрата (биомассы) определяется исходя из теплового баланса биореактора в процессе работы биогазовой установки. Важной является оценка ожидаемых теплопотерь с учетом конструктивного параметра, таких как толщина и вид теплоизоляции.

Тепловые потери в реакторе биогазовой установки [9, 10]:

О, =т , Вт, (1)

^потерь потерь х '

Вт

где к - коэффициент теплопередачи, -;

м2 - к

- площадь теплопередающей поверхности реактора, м2; М - разность температур внутри реактора и наружного воздуха, °С.

В пусковом режиме для устойчивого роста микроорганизмов в анаэробной среде нагрев загруженного сырья должен проводиться по-

в

естник АПК

Ставрополья

№ 4(44), 2021

где

доз.сут 7 V доз.сут? идоз.сут> '-"■доз.сут.

Удоз.сут - объем суточного заполнения реактора биомассой, м3; тдозсут - время нагрева суточного объема заполнения реактора, с; Адозсут - разность температур внутри реактора и загружаемого суточного субстрата, °С.

Потребная мощность в установившемся режиме при периодическом процессе загрузки биомассы определяется по ожидаемой потере энергии

степенно, не более 2 °С в сутки, и доведен до необходимой температуры брожения биомассы [4-6]. Тогда потребная мощность для нагрева субстрата зависит:

Р = ЯУ т А ) Вт (2)

х повыш у V з? иповыш? '-"'повыш/? -|-/А? У4-/

где Уз - объем заполнения реактора биомассой при пуске БГУ, м3; тповыш - время постепенного нагрева субстрата, с; Аповыш -разность температур в начале и в конце суточного нагрева в пусковом режиме,°С.

Потребную мощность для нагрева субстрата в пусковом режиме можно определить как

Р = Р + П Вт (3)

1 пуск 1 повыш ^потерь?

Потребная мощность в установившемся режиме брожения биомассы при непрерывном процессе загрузки:

Р _ = Р + п Вт (4)

х уст.режим.непрерывныи х доз.сут ^потерь? ^А* х1/

Потребная мощность для нагрева суточной дозы биомассы в условиях непрерывного процесса загрузки зависит:

Р = ЯУ т А ) Вт (5)

доз.сут доз.сут доз.сут доз.сут

уст.режим.периодическии

= Пп

, Вт.

(6)

Тогда для оценки различия потребной мощности в установившемся и пусковом режимах вводим коэффициент у, оценивающий отношения потребляемых мощностей в указанных режимах:

У = "

(7)

уст.режим

Данный показатель показывает, по какой мощности выбирается нагреватель субстрата. Если у>1, мощность нагревателя определяется по пусковому режиму биоректора.

Для исследования необходимых параметров рассмотрим биогазовые установки с металлическими биореакторами на 100 м3, ме-зофильный и термофильный температурные режимы сбраживания биомассы в условиях непрерывного и периодического процесса загрузки с заполнением реактора на 70-90 %. Диапазон температуры окружающего воздуха примем от +30 °С до -30 °С (начальную температуру биомассы принимаем +20 °С и +10 °С соответственно).

На рисунке 1 представлены результаты исследования коэффициента у (отношение мощностей) в мезофильном температурном режиме в зависимости от толщины изоляции реактора при заданной температуре окружающей среды (для непрерывного процесса при +30 °С и -30 °С и периодического при -30 °С) с учетом загрузки реактора.

Рисунок 1 - Зависимость отношения мощностей в мезофильном режиме от толщины тепловой изоляции реактора и температуры окружающей среды

На рисунке 2 представлены результаты исследования коэффициента у (отношение мощностей) в мезофильном температурном режиме в зависимости от толщины изоляции реактора при заданной температуре окружающей среды (для периодического процесса при +30 °С) с учетом загрузки реактора.

В приведенных зависимостях мы можем наблюдать различный характер кривых отношения мощностей у Но главным общим выводом для ме-зофильного режима является то, что мощность нагрева субстрата (биомассы) будет определяться по пусковой мощности биогазовой установки, что доказывается значением у больше единицы.

научно-практическии щрнал

Рисунок 2 - Зависимость отношения мощностей в мезофильном режиме от толщины тепловой изоляции реактора в условиях периодической загрузки биомассы при +30°С окр. среды.

На рисунке 3 представлены результаты исследования коэффициента у (отношение мощностей) в термофильном режиме в зависимости от толщины изоляции реактора при заданной температуре окружающей среды (для непрерывного процесса при +30 °С и -30 °С) с учетом загрузки реактора.

На рисунке 4 представлены результаты исследования коэффициента у (отношение мощностей) в термофильном режиме в зависимости от толщины изоляции реактора при заданной температуре окружающей среды (для периодического процесса при +30 °С и -30 °С) с учетом загрузки реактора.

£ 0,8 з

о

2 0,7

UJ 3=

3 0,6

О

X

° 0,5 0,4

%

1

0,02 0,04 0,06 0,08 ТОЛЩИНА ИЗОЛЯЦИИ,М

-Т(90%) Непрерывный, +30 окр.среда

У {70%)

Непрерывный, +30 окр.среда

Т{90%)

Непрерывный, -30 окр.среда

У {70%)

Непрерывный, q 1 -30 окр.среда

Рисунок 3 - Зависимость отношения мощностей в термофильном режиме от толщины тепловой изоляции реактора и темперарир ы окружающрр пр и непрерывной загрузке биомассы

7,2 6,8 .3Z 6'4 ш 6 ё 5,6 I 5'2 О 4'8 ^ 4,4 ш 4 £ з,б В 3,2 ° 2,8 5 2,4 2 1,6 1,2 0,8 С ' —Т[90%) Периодический, +30 окр. среда -ш- Т{70%) Периодический, +30 окр. среда -л- Т[90%) Периодический, -30 окр.среда Т{70%) Периодический, -30 окр.среда

J

0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 ТОЛЩИНА ИЗОЛЯЦИЯМ

Рисунок4 - Зависимость отношениямощностейвтермофильномрежимеот толщины тепловой изоляции реактора и температуры окружающей среды при периодической загрузке биомассытепловойизоляцииреактора и температурыокружающейсреды

естник АПК

Ставрополья

№ 4(44), 2021

По данным рисунков 3 и 4 видно, что выбор мощности на нагрев субстрата при термофильном режиме для периодического и непрерывного процессов будет определяться не так, как для мезофильного режима, из-за различных значений отношения мощностей.

Анализ полученных данных показывает, что:

- Потребляемая мощность в мезофиль-ном режиме при непрерывном и периодическом процессе работы биогазовой установки выбирается по пусковому режиму (по рис. 1 и 2 видно, что у больше 1. Согласно формуле (7) у больше 1, когда Р^ больше РуСТ.режим, поэтому и мощность нагревателя будем выбирать по большей из рассчитанных).

- Потребляемая мощность в термофильном режиме при периодическом процессе работы биогазовой установки определяется также по пусковому режиму (у > 1), а при непрерывном процессе - по установившемуся режиму, поскольку у < 1, и мощность нагревателя выбирается по Руст.режим.

Анализ приведенных на рисунке 1 данных показывает, что график отношения мощностей в мезофильном режиме при непрерывном процессе загрузки с увеличением толщины тепловой изоляции реактора стремится к установившемуся значению. Связано это с тем, что при увеличении толщины тепловой изоляции реактора тепловые потери стремятся к минимально-установившемуся значению. Все сводится к сравнению двух слагаемых: Рповыш и Рдозсут, которые не зависят от толщины изоляции.

Также можно сделать вывод, что загрузка реактора для мезофильного режима при непрерывном процессе в намного меньшей степени играет роль при выборе мощности нагрева, чем температура окружающей среды. Это видно из наслоения графиков отношения мощностей при загрузках реактора на 70 % и 90 % для рассматриваемого диапазона температур окружающей среды. Вместе с тем по рисункам 1 и 2 для периодического процесса загрузки реактора имеется важное значение в выборе нагревательной мощности. Здесь графики при загрузках реактора на 70 % и 90 % не наслаиваются друг на друга.

По приведенным на рисунках 1 и 2 данным, отношение мощностей в мезофильном режиме при периодической загрузке биомассы с увеличением толщины тепловой изоляции реактора растет (соответственно при -30 °С и +30 °С окружающей среды). Согласно формуле (7), это связано с тем, что при увеличении толщины тепловой изоляции реактора тепловые потери стремятся к своему минимальному значению намного быстрее, чем Рпуск.

Анализ данных на рисунке 3 показывает, что отношение мощностей в термофильном режиме с увеличением толщины тепловой изоляции реактора имеет нисходящий характер для всех вариантов загрузки реактора и рассматриваемых температур окружающей среды, вследствие сравнения Рдозсут с Рповыш в формуле (7), где тепловые потери с ростом толщины изоляционного материала играют незначительную роль.

На рисунке 4 отношение мощностей в термофильном режиме и при периодической загрузке с увеличением толщины тепловой изоляции реактора тоже имеет возрастающий характер, но не такой резкий, как в мезофильном режиме при периодическом процессе (при +30 °С). Связано это с тем, что в термофильном режиме тепловые потери больше, чем в мезофильном, из-за более высокой температуры процесса переработки биомассы (субстрата) в биогазовой установке.

Мощность для нагрева субстрата в биогазовой установке в мезофильном режиме при непрерывном и периодическом процессах и термофильном режиме при периодическом процессе определяется по пусковому режиму. Для термофильного режима при непрерывном процессе работы биогазовой установки отопительная мощность находится по установившемуся режиму.

В дальнейшем с учетом температурной стабильности процесса брожения и на основе представленных исследований можно разработать методику проектирования биогазовой установки и представить рекомендации по эксплуатации уже существующих установок для достижения их максимальной эффективности.

Литература

1. Шерьязов С. К. Исследование системы комплексного энергоснабжения с использованием возобновляемых источников // Вестник КрасГАУ. 2008. № 5. С. 302-305.

2. Пташкина-Гирина О. С., Телюбаев Ж. Б., Шерьязов С. К. Переработка отходов животноводства для использования их в качестве удобрения // Вестник ИрГСХА. 2017. № 80. С. 184-190.

3. Методика оценки энергетических характеристик возобновляемых источников / С. К. Шерьязов, О. С. Пташкина-Гирина, А. Т. Ахметшин, О. А. Гусева // Вестник Башкирского государственного аграрно-

References

1. Sheryazov S. K. Investigation of the integrated energy supply system using renewable sources. Bulletin of KrasGAU. 2008. № 5. P. 302-305.

2. Ptashkina-Girina O. S., Telyubaev Zh. B., Sheryazov S. K. Processing of animal husbandry waste for their use as fertilizer. Bulletin of the IrGSHA. 2017. № 80. P. 184-190.

3. Sheryazov S. K., Ptashkina-Girina O. S., Akhmetshin A. T., Guseva O. A. Methodology for assessing the energy characteristics of renewable sources. Bulletin of the Bashkir State Agrarian University. 2018. № 1 (45). P. 114-124.

*>естеик АПК

ЖВ Ставрополья

научно-практическии журнал

го университета. 2018. № 1 (45). С. 114124.

4. Веденев А. Г., Маслов А. Н. Строительство биогазовых установок. Краткое руководство. Бишкек : Евро, 2006. 28 с.

5. Веденев А. Г. Руководство по биогазовым технологиям. Бишкек : ДЭМИ, 2011. 84 с.

6. Веденев А. Г., Веденева Т. А. Биогазовые технологии в Кыргызской Республике. Бишкек : ОФ «Флюид», Типография «По-лиграфоформление», 2006. 90 с.

7. Биркин С. М. Совершенствование технологии и технических средств утилизации навоза крупного рогатого скота : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.20.01. Волгоград, 2009. 24 с.

8. Амерханов Р. А. Совершенствование методов оценки сельскохозяйственных энергоустановок на основе возобновляемых источников энергии : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.14.08. Москва, 2004. 40 с.

9. Исаченко В. П., Осипова В. А., Суко-мел А. С. Теплопередача : учебник для вузов. Изд. 3-е. Москва : Энергия, 1975. 488 с.

10. Ляшков В. И. Теоретические основы теплотехники : учеб. пособие. 2-е изд., стер. Москва : Изд-во «Машиностроение-1», 2005. 260 с.

4. Vedenev A. G., Maslov A. N. Construction of biogas plants. Brief guide. Bishkek : «Euro», 2006. 28 p.

5. Vedenev A. G. Guide to biogas technologies. Bishkek : DEMI, 2011. 84 p.

6. Vedenev A. G., Vedeneva T. A. Biogas technologies in the Kyrgyz Republic. Bishkek : OF «Fluid», Printing house «Polygraph», 2006. 90 p.

7. Birkin S. M. Improvement of technology and technical means of utilization of cattle manure : abstract of the dissertation of technical sciences : 05.20.01. Volgograd, 2009. 24 p.

8. Amerkhanov R. A. Improvement of methods of evaluation of agricultural power plants based on renewable energy sources : abstract of the dissertation of the Doctor of Technical Sciences : 05.14.08. Moscow, 2004. 40 p.

9. Isachenko V. P., Osipova V. A., Sukomel A. S. Heat transfer. Textbook for universities. Ed. 3rd. M. : «Energy», 1975. 488 p.

10. Lyashkov V. I. Theoretical foundations of heat engineering: Textbook manual. 2nd ed., ster. M. : Publishing House of Mechanical Engineering-1, 2005. 260 p.