CC BY
28
УДК 621.311:631.2
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ФЕРМ НА ОСНОВЕ КОГЕНЕРАЦИИ
И БИОГАЗТЕХНОЛОГИЙ
В.А. Ткаченко (КамчатГТУ)
Предложено создание энергокомплекса сельскохозяйственных ферм, использующего автономные дизели, когенерацию, двухфазное смесеобразование в дизеле, где в качестве добавочного топлива, замещающего основное, употребляется метан, вырабатываемый в биога-зовой установке. Экономический эффект достигается за счет экономии топлива и снижения затрат на электрическую и тепловую потребность на 44%. Кроме того, в результате реализации данного предложения дополнительно вырабатывается продукция -экологически чистое удобрение, что дает дополнительный годовой эффект от его реализации свыше 9 млн руб.
The article represents farming energy complex, using autonomous diesels, co-generation, two-phase carburetion in diesel, using methane produced in bio-gas device, as auxiliary fuel inplacing the basic one. Economy effect is achieved due to the economy offuel and reducing costs for electricity and heating demand by 44%. Besides, as a result of the realization of this complex ecologically pure fertilizer material is produced additionally, which allows to get more than 9 million rubles as an annual income.
Отрицательной тенденцией современного промышленного и фермерского сельскохозяйственного производства является постоянный рост цен на энергоносители, что сказывается на эффективности производства и приводит к значительной убыточности хозяйств, которые в настоящее время уже практически не могут работать без дотаций. Необходимо внедрение в сельскохозяйственное производство современных энергосистем. Сюда мы будем относить выработку энергии собственными дизельными электростанциями с использованием когенерации -выработки дополнительной энергии на основе вторичного тепла охлаждающей воды первого контура и выпускных газов дизелей. Общепринято, что при правильных расчетах и конструировании возможно на каждый киловатт выработанной дизель-генератором электрической энергии получить 1 киловатт тепловой энергии. Это повышает КПД всей установки минимум до 80, а может быть, и до 90%.
Кроме того, промышленное сельскохозяйственное производство и фермерское хозяйство связаны с получением большого количества органических отходов. Биогаз можно использовать в качестве топлива для выработки тепловой или электрической энергии при сжигании в различного рода газовых двигателях либо тепловых котлах с газовыми горелками. Таким образом, мы имеем экологически чистую энергообразующую технологию.
К недостаткам данного вида биоэнергетических установок относятся следующие:
1. При установке любого двигателя внутреннего или внешнего сгорания необходимо рассчитывать на его работу полностью либо на жидком топливе (дизель), либо на газе (газовый двигатель). При работе на газе требуются специальные газовые двигатели со специальными устройствами для подачи и сжигания газа, что является фактором, удорожающим и усложняющим энергетическую установку, однако это неприемлемо для фермерских хозяйств.
2. Производительность биогазовой установки не может всегда соответствовать потребностям хозяйства. Ее недостаток или избыток должны компенсироваться либо дополнительным подводом газа из газовых систем или емкостей, либо установкой дополнительных устройств для сжатия и хранения излишков, которые удорожают и усложняют установку.
3. Обязательным элементом в системе выработки биогаза в метантенке является подогреватель биомассы, который поддерживает температуру процесса постоянной и, как правило, выполняется в виде кожуха метантенка, образующего с корпусом полость, через которую прокачивается горячая вода. Следовательно, для получения и циркуляции воды через метантенк требуются устройство подогрева и отдельный циркуляционный насос.
Таким образом, суть технического предложения сводится к тому, что вырабатываемая двигателями внутреннего сгорания электроэнергия обеспечивает автономных энергопотребителей стабильным электроснабжением, а топливо, необходимое для работы этих двигате-
лей, частично замещается биогазом, вырабатываемом в метантенке из органических отходов. Тепловая энергия, производимая в когенерационном комплексе этих двигателей совместно с вихревым теплогенератором, используется для обеспечения тепловой энергией метантенка и автономных потребителей.
На рисунке приведена схема предлагаемого биоэнергокомплекса, который состоит из биоустановки, работающего на жидком топливе двигателя внутреннего сгорания 1 с всасывающим патрубком 2, центробежного водяного насоса 3, когенерационного комплекса 4, производственно-хозяйственного комплекса потребления тепла 5, расширительного бака 6, вихревого теплогенератора 7, трубопроводов производственно-хозяйственного отопления 8, трубопровода подогрева метантенка 9 с регулятором температуры 10, предохранительного клапана 11 с горелкой 12.
Принципиальная схема энергообеспечения комплекса
Биокомплекс содержит метантенк с водяной рубашкой, теплоизоляцией, мешалкой, загрузочным и выгрузочным патрубками, трубопроводы для отвода биогаза, трубопровод для подачи биогаза и газгольдер. Двигатель внутреннего сгорания работает в режиме двухфазного смесеобразования, причем впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания соединен с трубопроводом для подачи газа из газгольдера, а вихревой теплогенератор подключен параллельно центробежному насосу для обогрева метантенка.
Исходная биомасса в виде органических отходов животноводства загружается через загрузочный патрубок в метантенк. Необходимый температурный режим процесса анаэробного метанового сбраживания биомассы в метантенке обеспечивается посредством тепла, вырабатываемого двигателем внутреннего сгорания в когенерационном комплексе и вихревом теплогенераторе: соединенный с двигателем внутреннего сгорания центробежный насос прокачивает воду по трубопроводам через когенерационный комплекс, использующий тепло первого контура охлаждения и выпускных газов двигателя, и производственно-хозяйственный комплекс потребления тепла, а также параллельно через вихревой теплогенератор и метантенк, обеспечивая циркуляцию нагретой воды по трубопроводам через водяную рубашку метантенка. Регулятором поддерживается постоянная температура в метантенке. Постоянная температура в биореакторе поддерживается с помощью автоматического регулирования.
В процессе разложения органических веществ биомассы в метантенке выделяется биогаз, который через трубопровод отвода биогаза поступает и накапливается в газгольдере .
Далее осуществляется утилизация полученного биогаза: по трубопроводу он поступает к всасывающему коллектору двигателя внутреннего сгорания, где смешивается с воздухом и поступает далее в цилиндры, обеспечивая экономию топлива за счет замены части жидкого топлива на газообразное и улучшения процесса сгорания топлива, причем количество биогаза в смеси с воздухом ограничивается и регулируется регулятором.
Принципиальное отличие такой идеи биоэнергетического комплекса состоит в том, что объединенные вместе возможности использования когенерации, двухфазного смесеобразования и вихревого теплогенератора обеспечивают стабильный режим работы и высокие экономические показатели всего биоэнергокомплекса. К тому же работу можно автоматизировать (в части обеспечения энергией).
Сложившийся в настоящее время уровень техники в предметной области проекта таков, что биогазовая технология мало используется именно по причине недостаточной выработки биогаза для полного обеспечения энергетических нужд фермерских хозяйств или малых сельскохозяйственных производств. В предлагаемом нами способе использования биогаза реализуется возможность полного использования биогаза даже в случае его неравномерного производства и в любых количествах.
В основе предлагаемой для коммерциализации идеи лежат результаты более ранних исследований - кандидатская диссертация научного руководителя проекта В. А. Ткаченко «Исследование влияния двухфазного смесеобразования на показатели рабочего процесса быстроходного двигателя» (1978 г.). Сама идея двухфазного смесеобразования в предыдущие годы не нашла широкого применения вследствие относительной дешевизны дизельного топлива, достаточной сложности конструкций для подачи жидкого топлива в газообразном виде во всасывающий коллектор дизеля или необходимости обеспечения емкостей для хранения газообразного топлива. В настоящее время опять возрождается интерес к такому способу смесеобразования у ведущих дизелестроительных фирм в связи с необходимостью экономии топлива и снижения токсичности выпускных газов. В апреле 2007 г. принято решение о выдаче патента на полезную модель биоэнергокомплекса ( авторы В.А. Ткаченко и А.В. Ткаченко). Применение двухфазного смесеобразования при выработке биогаза в установках позволит уменьшить удельный расход жидкого топлива на 15-20% за счет замены части его на биогаз.
Если мы выразим электрическую и тепловую энергию в кВт • ч, то применительно к Елизов-скому свинокомплексу Камчатской области (на 1000 голов) стоимость 1 кВт • ч энергии составит 2,04 вместо 3,65 руб/кВт • ч, а эффект по экономии топлива на электроэнергию и обогрев помещений будет равен 44%.
Конечно, возрастут эксплуатационные затраты на обслуживание и ЗИП. Для выработки биогаза и получения удобрений предполагается на начальном этапе использование модуля БИОЭН-1, выпускаемого ЗАО «Центр ЭКОРОС» (г. Москва), т. е. основой станут российские биогазовые технологии по переработке отходов животноводства, птицеводства и растениеводства в газообразное топливо, тепловую и электрическую энергию и органические удобрения.
Из 1 т отходов (от 250 голов свиней) 85%-ной влажности получаем до 40 м3 биогаза, содержащего 55-60% метана (5-6 тыс. ккал/м3, или 22 000-24 000 тыс. кДж/м3 теплоты) и 40-45% углекислого газа, и 1 т органических удобрений, цена которых на рынке составляет 5-8 тыс. руб/т.
Собственная потребность биоустановки в энергии (поддержание температуры процесса -52-55°) составляет примерно 30%. Модуль БИОЭН-1 может собираться в батареи из 2, 3, 4 комплектов для обработки отходов: 1 - 250 голов, 2 - 500 голов, 3 - 750 голов, 4 - 1000 голов.
Исходя из литературных данных удобрения, получаемые таким способом из органических отходов, являются весьма ценными и их рыночная стоимость будет постоянно возрастать. В настоящее время на камчатском рынке стоимость примерно такого качества удобрений составляет 20 руб/кг, однако нет подтверждения, что эта продукция столь же эффективна, как и получаемая в результате анаэробного сбраживания, что она экологичней и эффективней минерального и увеличивает урожайность любого сельскохозяйственного производства на 30% за счет содержащихся в ней веществ, способных влиять на точки роста растений.
На Камчатке для удовлетворения спроса только владельцев дачных участков и тех, кто берет участки под картофель, приблизительно требуется 6 тыс. т органики ежегодно. С учетом промышленных сельскохозяйственных предприятий потребность в таком удобрении представляется в пределах 30-40 тыс. т. Но пока что конкретные производители данной продукции на Камчатке отсутствуют.
Потенциальными потребителями таких биоэнергокомплексов могут стать все крупные сельскохозяйственные предприятия Камчатской области, Дальневосточного региона и России, так как в настоящее время биогазовые технологии практически не используются на территории России. Кроме того, потребителями могут стать и фермерские хозяйства, имеющие крупный рогатый скот (более 50 голов) и свиней (более 250 голов). В настоящее время реальными потребителями таких биоэнергокомплексов на Камчатке могут быть такие крупные сельхозпредприятия, как Елизов-ский свинокомплекс, Елизовская птицефабрика, животноводческие хозяйства районов области.
Составим таблицу получения эффекта от использования биогаза и удобрения в 2004 г. (при цене 5 тыс. руб/т) в зависимости от участвующих в их производстве количества голов свиней.
Количество голов скота 250 500 750 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Выход биогаза , м3 /сут 40 80 120 160 320 480 640 800 960
Использование биогаза в дизеле за вычетом 30%, м3/сут 30 60 80 120 240 360 480 600 720
Эквивалент биогаза жидкому топливу, кг/сут 15 30 40 60 120 180 240 300 360
Годовая цена сэкономленного топлива, тыс. руб. 109,5 219 292 438 876 1314 1752 2190 2628
Выработка удобрений в сутки, т 1 2 3 4 8 12 16 20 24
Годовая рыночная цена удобрений, тыс. руб. 1825 3650 5475 7300 14 600 21 300 29 200 36 505 43 800
Данные таблицы подтверждают тезис о том, что по сравнению с когенерацией и использованием биогаза наиболее выгодно использование биоэнергокомплексов для получения и реализации удобрений.
