CC BY
29Суслов Д. Ю., канд. техн. наук, ст. преп. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОГАЗА*
suslov1687@mail.ru
Рассмотрена возможность использования биогазового топлива для газоснабжения сельскохозяйственных предприятий. Проведен анализ потребности в природном газе свиноводческого комплекса с поголовьем 14 000 голов, а также выход биогаза при анаэробной переработке 150 т/сут навозных стоков. Установлено, что получаемый биогаз полностью покрывает потребность в газе с апреля по ноябрь, а недостаток биогаза наблюдается только для четырех наиболее холодных месяцев: декабрь, январь, февраль и март. Разработана система газоснабжения свиноводческого комплекса, включающая источник газоснабжения - биогазовую установку.
Ключевые слова: газоснабжение, биогаз, биогазовая установка, органические отходы.
В Российской Федерации принята «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия», что привело к резкому увеличению количества животноводческих и птицеводческих предприятий, требующих эффективного и стабильного энергообеспечения [1]. Основным видом топлива для энергоснабжения сельскохозяйственных предприятий является природный газ, наиболее эффективный и экологически чистый источник энергии [2].
Газоснабжение сельскохозяйственных предприятий позволяет улучшить условия содержания животных и повысить производительность хозяйства. Объектами газоснабжения являются помещения содержания животных, в которых для отопления и вентиляции используются генераторы горячего воздуха, котельная для производства горячей воды и пара на технологические нужды, оборудование для приготовления кормов, а также здания и помещения обслуживающего персонала, содержащие котлы и водонагреватели для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения [3].
Анализируя работу сельскохозяйственных предприятий можно отметить, что большинство предприятий работают по различным схемам сезонной деятельности - определенные периоды года высокого производства или реализации то-
вара сменяются значительным спадом, вследствие чего они сталкиваются с проблемами неравномерности поставки газа, которые приводят к нестабильной работе предприятий, а иногда и к их банкротству. Кроме того, многие животноводческие и птицеводческие комплексы располагаются на значительном расстоянии от магистральных сетей газоснабжения, что также увеличивает затраты на приобретение и доставку других видов энергоносителей [4].
Одним из перспективных и эффективных направлений в энергообеспечении сельскохозяйственных предприятий является производство и применение альтернативного источника энергии - биогаза, получаемого в специальных биогазовых установках [5, 6, 7].
Биогаз - это газообразный источник энергии, получаемый в результате анаэробной ферментации органических веществ различного происхождения и состава. Биогаз в основном состоит из метана (СН4) и углекислого газа (СО2), а так же содержит незначительное количество других газов: сероводород азот №), водород (Щ [8, 9]. Соотношение содержания СН4 и СО2 зависит от состава исходного субстрата и условий процесса брожения. Теплотворная способность биогаза составляет 20-25 МДж/м3. Состав и основные свойства биогаза представлены в таблице 1.
Таблица 1
Состав и основные свойства биогаза
Показатели Компоненты Биогаз
CH4 CO2 H2 H2S
Объемная доля, % 55-70 27-44 1 3 100
Теплота сгорания, МДж/м3 35,8 - 10,8 22,8 21,5
Пределы воспламенения при содержании с воздухом, % 5-15 - 4-80 4-445 6-12
Температура, оС: воспламенения критическая 650-750 -82,5 31,0 585 100 650-750 12,5
Критическое давление, МПа 4,7 7,5 1,3 8,9 7,5-8,9
Плотность г/л 0,72 1,98 0,09 1,54 1,2
Во многих развитых странах мира биогаз электростанциях для получения тепловой и уже получил широкое применение на тепло- электрической энергии, а также в качестве топ-
лива для заправки автомобилей и автобусов [8]. Наиболее эффективно применение биогазовых технологий на крупных сельскохозяйственных предприятиях. Целесообразность этого решения заключается в образовании замкнутого цикла процесса получения биогаза при утилизации органических отходов.
Внедрение биогазовых технологий предъявляет специфические требования к проектированию и эксплуатации систем газоснабжения, что требует разработки новых технологических схем, процессов и установок, с учетом условий эксплуатации и режима газопотребления.
Рассмотрим возможность применения биогазового топлива для газоснабжения свиноводческого комплекса на 14 000 голов, расположенного в Белгородской области.
Основными потребителями газа на предприятии являются цех доращивания, цеха откорма (3 шт.) административно-бытовой корпус (АБК) и здание охраны. Для отопления и вентиляции цеха доращивания и откорма используются генераторы горячего воздуха фирмы «Big Dutchman» (Германия), работающие на
Потребность предприятия в
природном газе. При этом в цехе доращивания установлены генераторы «Jet Master GP 40» мощностью 40 кВт в количестве 16 штук, в цехах откорма - генераторы «Jet Master GP 95» мощностью 95 кВт по 12 штук в каждом. Для отопления и вентиляции здания АБК используется отопительный котел «SIME RX - 48 CE» (Италия) мощностью 48,8 кВт, для горячего водоснабжения АБК устанавливаются накопительные водонагреватели «Ariston - SGA 200» мощностью 10 кВт. Для отопления и горячего водоснабжения здания охраны используется отопительный двухконтурный котел с закрытой камерой сгорания «SIME Metropolis - 25 BF» мощностью 23,7 кВт.
На основе установленного оборудования и климатических данных определена потребность предприятия в природном газе по месяцам года (таблица 2). При этом наблюдается сезонная неравномерность расхода газа с ярко выраженными пиковыми моментами в холодный период года. Так, потребность в газе в зимнее время в 200 раз больше, по сравнению с теплым периодом года.
Таблица 2
Месяц январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь
Расход газа, тыс. м3 116,854 98,528 93,547 35,468 0,546 0,529 0,546 0,546 0,529 38,242 80,004 101,316
Размер биогазовой установки и объем производимого биогаза зависят от объема образующихся органических отходов.
Выход навоза определим по нормативным данным в зависимости от количества и группы
животных [10]. Комплекс рассчитан на постоянное поголовье 14 000 голов, из них 2000 поросят на доращивании и 12 000 голов на откорме (таблица 3).
Таблица 3
•д навоза
Группа животных Норма выхода навоза, кг/сут Постоянное поголовье, гол. Выход навоза в сутки, т/сут Выход навоза, т/год
Поросята-отъемыши 1 2000 2 730
Свиньи на откорме 5,75 12000 69 25 185
Всего 6,75 14000 71 25915
Из таблицы 2 видно, что суммарный выход навоза с учетом сменности поголовья составляет 71 т/сут или 25915 т/год. Кроме того, в систему канализации поступает вода из системы самосплава в объеме 1:1 к навозу, а также вода на мытье и уборку помещений. Тогда суммарный выход навозных стоков предприятия составляет 150 т/сут. с влажностью 94 % или 9 000 кг/сут органического сухого вещества.
Известно [11], что выход биогаза из 1 кг органического сухого вещества свиного навоза составляет 0,45 м3, следовательно, суммарный выход биогаза составляет 4050 нм3/сут.
Анализируя потребность предприятия в природном газе и выход биогаза по месяцам
(рис. 1) можно сделать вывод, что получаемый биогаз полностью покрывает потребность в газе для восьми месяцев с апреля по ноябрь. А недостаток биогаза наблюдается только для четырех наиболее холодных месяцев декабрь, январь, февраль и март.
Газоснабжение сельскохозяйственных предприятий осуществляется по схемам промышленных потребителей, при этом, как правило, применяется схема с центральным газорегу-ляторным пунктом шкафного типа, питающим большую часть цехов. Газ из распределительного газопровода среднего давления через ответвление и ввод подается на территорию комплекса. На вводе размещается главная запорная ар-
матура и центральный газорегуляторныи пункт пусе устанавливается газорегуляторная установ-шкафного типа (ШРП), в котором давление газа ка (ГРУ), в которой давление газа снижается до
снижается до величины, необходимой большин- низкого. ству цехов, а в административно-бытовом кор-
140 120 -
^ 100 -
о .0
н 80 -го
СО ГО
а 60 -
0
X
1 40 -20 -
6 7 8 месяц
10 11 12
■ Природный газ ■ Биогаз
Рис. 1. График потребления природного газа и производства биогаза на свиноводческом комплексе
На рисунке 2 представлена разработанная Отличительной особенностью разработан-
схема газоснабжения свиноводческого комплек- ной схемы является то, что в систему газоснаб-са с использованием альтернативного биогазо- жения через узел смешения включается биога-вого топлива. зопровод, подающий биогаз от источника полу-
чения - биогазовой установки.
14ч
/
15
7
0
Рис. 2. Схема газоснабжения свиноводческого комплекса с применением биогаза: 1 - распределительный газопровод среднего давления; 2 - ввод на предприятие; 3 - задвижка в глубоком колодце; 4 - узел смешения; 5 - ШРП; 6 - ответвление газопровода к цеху; 7 - кран; 8 - здание охраны; 9 - административно-бытовой корпус; 10 - цех доращивания; 11 - цех откорма; 12 - биогазопровод; 13 - площадка биогазового комплекса; 14 - биореактор; 15 - резервуар переброженного навоза; 16 - газгольдер; 17 - узел очистки биогаза; 18 - лагуны для хранения исходного и сброженного вещества
Учитывая сезонную неравномерность потребления газа, предлагается два режима работы системы газоснабжения предприятия.
В теплый период года, когда расход газа незначительный, в ШРП предприятия подается биогаз из биореакторной установки. В холодный период года потребность в газе увеличивается и объема добываемого биогаза становится недостаточным для снабжения предприятия, узел смешения увеличивает расход подаваемого в ШРП газа за счет природного газа из распределительной сети среднего давления.
Можно сделать вывод, что применение биогазовых технологий позволяет сельскохозяйственным предприятиям не только получать энергетический продукт - биогаз, но также решить экологическую проблему утилизации органических отходов в виде навозных стоков и травы. Кроме того, в процессе получения биогаза происходит обезвреживание жидкого навоза и сохранение его как удобрения, что позволяет предприятиям вести более эффективную и стабильную хозяйственную деятельность за счет использования или реализации получаемых биологических удобрений.
*Работа выполнена в рамках гранта № Б-4/13 Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 годы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Постановление Правительства Российской Федерации. О Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы: утвержден постановлением Правительства от 14 июля 2012 г. № 717.
2. Кондауров, П.П. Газоснабжение сельскохозяйственных предприятий с использованием альтернативного источника энергии биогаза в замкнутом цикле обработки и утилизации отходов: Автореф. дис. канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2007. 21 с.
3. Амерханов Р. А. Проектирование систем теплоснабжения сельского хозяйства: Учебник для студентов вузов по агроинженерным специальностям. Под ред. Б.Х. Драганова. Краснодар, 2001. 200 с.: ил.
4. Кнорр А.Ф. Газоснабжение сельскохозяйственных товаропроизводителей в современных условиях // Газовый бизнес. 2009. №1. С. 41-43.
5. Биркин, С.М., Антонов Н.М. Обоснование применения биогазовых установок на животноводческих фермах и комплексах // Вестник КрасГАУ. 2009. №5. С. 156-158.
6. Евстюничев М.А., Ильина Т.Н. Особенности сырьевой базы Белгородской области для производства биогаза // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 5. С. 170-173.
7. Шаптала В.Г., Шаптала В.В., Суслов Д.Ю. Вопросы моделирования и расчета барбо-тажных реакторов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. №5. С. 189-192.
8. Суслов Д.Ю., Кущев Л.А., Окунева Г.Л., Городов В.И. Биогазовые установки - энергетический резерв строительной индустрии // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: Межд. науч.-практ. конф., (Белгород, 5-8 окт. 2010), Белгород: Изд-во БГТУ. 2010. Ч.3. С. 246-250.
9. Suslov D.Yu., Kushchev L.A. Biogas technology - a contemporary method for processing organic wastes // Chemical and Petroleum Engineering. 2010. Т. 46. № 5. С. 308-311.
10. НТП 17-99*. Нормы технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета. - М: Министерство сельского хозяйства РФ, 2001.
11. Кущев Л. А., Окунева Г.Л., Суслов Д.Ю., Гравин А.А. Моделирование процесса получения биогаза в биореакторах барботажного типа // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2011. № 9. С. 28-31.
