CC BY
52ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ
ENERGY OF BIOMASS
Статья поступила в редакцию 18.01.13. Ред. рег. № 1516
The article has entered in publishing office 18.01.13. Ed. reg. No. 1516
УДК: 631.1.004.18:636.22/28
СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ БЛОЧНО-МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ ЭФФЛЮЕНТА ДЛЯ ФЕРМЫ НА 400 ГОЛОВ КРС
А.А. Ковалев, Д.А. Ковалев, В.В. Харченко
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ Тел: (499) 171-13-72, факс: (499) 170-00-51; e-mail: kovalev_ana@mail.ru, kovalev_da80@mail.ru, kharval@mail.ru
Заключение совета рецензентов 21.01.13 Заключение совета экспертов 24.01.13 Принято к публикации 28.01.13
В работе проведен тепловой расчет системы теплоснабжения биогазовой установки блочно-модульной конструкции с использованием рекуперации теплоты эффлюента с помощью компрессионного термотрансформатора. Приведены основные зависимости теплового расчета биогазовой установки и блок-схема теплового баланса. Показана технологическая схема использования компрессионного термотрансформатора в системе теплоснабжения биогазовой установки блочно-модульной конструкции. Проведено сравнение энергетических показателей биогазовых установок традиционного и блочно-модульного типа, приведенное на гистограмме. Показано, что использование блочно-модульной конструкции биогазовых установок с применением рекуперации теплоты эффлюента способно значительно повысить энергетическую эффективность их использования в сельском хозяйстве.
Ключевые слова: биогазовая установка блочно-модульного типа, анаэробная переработка навоза, рекуперация теплоты эффлюента, компрессионный тепловой насос.
HEATING SYSTEM FOR BIOGAS PLANT OF BLOCK-MODULAR DESIGN USING HEAT RECOVERY OF EFFLUENT FOR FARMS FOR 400 HEADS OF CATTLE
A.A. Kovalev, D.A. Kovalev, V.V.Kharchenko
All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. (499) 171-13-72, fax: (499) 170-00-51; e-mail: kovalev_ana@mail.ru, kovalev_da80@mail.ru, kharval@mail.ru
Referred 21.01.13 Expertise 24.01.13 Accepted 28.01.13
Thermal design of heat supply system of modular biogas plant using heat recovery of effluent using compression heat pump is presented in the paper. Main dependences of thermal calculation modular biogas plant and block diagram of the heat balance are presented. The paper shows flow diagram of used compression heat pump in the heat supply system of modular biogas plant. Comparison of energy performance of biogas plants of traditional and modular type (the comparison shown in the histogram) are performed.
It is shown that using modular construction of biogas plants with heat recovery of effluent can significantly improve energy efficiency of their use in agriculture.
Keywords: modular biogas plant, anaerobic digestion of manure, effluent heat recovery, compression heat pump.
Сведения об авторе: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства,
Область научных интересов: промышленная теплоэнергетика, возобновляемые источники энергии, биогазовые технологии Публикации: 20
Андрей Александрович Ковалев
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Валерий Владимирович Харченко
Сведения об авторе: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, канд. техн. наук
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, переработка органических отходов, биогазовые технологии Публикации: 35.
Дмитрий
Александрович Ковалев
Сведения об авторе: Всероссийский научно-исследовательский электрификации сельского хозяйства, доктор технических наук Область научных интересов: технологии возобновляемой энергетики Публикации: 243.
институт
Интенсификация животноводства создает проблему обработки и использования отходов, поскольку они имеют высокую биологическую активность и содержат значительное количество микроорганизмов и семян сорняков. Для переработки и обеззараживания отходов животноводства наибольшее распространение получают биогазовые установки, которые обеспечивают переработку отходов с получением удобрений и биогаза.
Технология анаэробной переработки
органических отходов позволяет наиболее рационально и эффективно конвертировать энергию химических связей органических отходов в энергию газообразного топлива (биогаз) собственного производства с получением высокоэффективных органических удобрений. Производство биогаза позволяет предотвратить выброс метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления. Произведенный биогаз может быть направлен в энергетические установки для выработки электроэнергии и тепла.
Кроме того, биогазовая установка решает проблему утилизации органических отходов и очистки сточных вод. Переработанные органические отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве, что позволяет снизить
применение химических удобрений. За счет этого сокращается нагрузка на грунтовые воды. Однако, не смотря на положительные стороны анаэробной обработки органических отходов, она имеет существенный недостаток - для обеспечения температурного режима в биогазовой установке требуется значительное количество выработанного биогаза (до 50%).
Одним из способов повышения энергетической эффективности биогазовых установок является использование термотрансформаторов для рекуперации тепла эффлюента в системе теплоснабжения.
Нами была рассмотрена система обработки органических отходов для фермы крупного рогатого скота (КРС) на 400 голов, основанная на их анаэробной обработке в блоках-модулях биогазовой установки, разработанных лабораторией Биоэнергетических установок ГНУ ВИЭСХ, с системой теплоснабжения, включающей в себя компрессионный тепловой насос.
Эффективное производство энергии на биогазовой установке, согласно [3, 4], возможно лишь в случае, когда суммарная энергия полученного биогаза будет значительно превышать расходы энергии на его производство, т.е. должно выполняться условие
(^эл+^-ОО ^ (1)
ISIAEE«
62
где Уг - общее количество полученного биогаза, м3/сут.; X - теплотворная способность биогаза, кДж/м3; ЕСН - расход электроэнергии на собственные нужды установки, кВт*чэлэн; - к.п.д.
преобразовании энергии биогаза в электроэнергию; Qcн - расход тепловой энергии на собственные нужды установки, кВт*чтэн; - к.п.д.
преобразовании энергии биогаза в тепловую энергию.
Количество товарного (неиспользованного на собственные нужды установки) биогаза [м3/сут.] может быть представлено как
ЕСН/ +Чсн/
Ут = Ц.--^-^ • 3600 (2)
я
Расход тепловой энергии на собственные нужды установки равен:
Qcн = Qн+Qк - Qp (3)
где Qн - расход энергии на предварительный нагрев субстрата до температуры брожения, кВт*чтэн; QК-суточный расход энергии на компенсацию теплопотерь от ограждающих конструкций и трубопроводов, кВт*чтэн; QР - количество рекуперированной энергии, кВт*чтэн'.
Расход тепла на предварительный нагрев субстрата [кВтчтэн] определяется как
_ _ сн Рн ун (тн-т1) п (4)
243600 ^ '
где Сн - теплоемкость субстрата, кДж/(кг 0С); рн -плотность субстрата, кг/м3; Ун - суточная доза загрузки, м3/сут; ТН - конечная температура нагрева субстрата, 0С; Т1 - исходная температура субстрата, 0С; п - число часов работы теплового насоса в сутки, ч/сут.
Среднесуточный расход тепла [кВтчтэн], необходимый для компенсации теплопотерь через ограждающие поверхности биореактора при среднегодовой температуре наружного воздуха
Qк = k■F•(Tн-Tв)•W-3 • 24 (5)
где к - коэффициент теплопередачи, Вт/м2К; Е -площадь ограждающих поверхностей биореактора, м2; Тн - температура субстрата в биореакторе,0С; Тв - температура наружного воздуха, 0С.
Максимальное суточное количество
низкопотенциального тепла эффлюента [кВттэн]:
ß max _ Сн■ PH• VH• (TH-TOXmin)10 3 (6)
^eff 243600 ^ '
где ТОХ mi„ - температура эффлюента в отстойнике, необходимая для прекращения остаточного газовыделения, 0С.
Среднесуточное количество рекуперируемого тепла [кВтчтэн]:
0 <Qp<Qerrnax-(±ù-n (7)
где е - коэффициент преобразования теплового насоса с учетом изоэнтропического и механического к.п.д. компрессора теплового насоса.
Исходные данные для расчета:
- ферма КРС на 400 голов, расположенная в Московской области;
- биореактор - модуль-блок объемом 60 м3, площадь ограждающих поверхностей блока-модуля F=90 м2, теплоизоляция - минеральная вата толщиной 300 мм, коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций биореактора ¿=0,136 Вт/м2К, согласно [1];
- режим работы биореактора - термофильный при температуре субстрата в биореакторе ТН=55°С, согласно [1];
- субстрат - бесподстилочный навоз КРС влажностью 95%, с теплоемкостью СН=4,06 кДж/(кг 0К), плотностью pH=1020 кг/м3, исходной температурой Гг=10°С;
- температура эффлюента в отстойнике, необходимая для прекращения остаточного газовыделения ТОХ mi„=7 0С, согласно [1];
- температура наружного воздуха Гв=4,1°С, согласно [5];
- теплотворная способность биогаза Х=21500 кДж/м3, согласно [3].
По исходным данным получаем:
- суточная доза загрузки одного модуль-блока VH =6,25 м3/сут., согласно [6, 7];
- общее количество полученного биогаза Vr=350 м3/сут. согласно [6, 7];
- расход тепла на предварительный нагрев субстрата 2д=165 кгут/сут.;
- среднесуточное количество тепла, необходимое для компенсации теплопотерь через ограждающие поверхности биореактора 2^=7,7 кгут /сут.;
- максимальное суточное количество низкопотенциального тепла эффлюента Q3i,rlr=176 кгут/сут.
Схема системы теплоснабжения биогазовой установки на базе 4 модулей-блоков объемом 60 м3
каждый с включенным в нее компрессионным тепловым насосом представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Технологическая схема системы теплоснабжения биогазовой установки Fig. 1. Technological diagram of the heating system of the biogas plant 1 - емкость предварительного нагрева; 2 - насос загрузки; 3 - водогрейный котел; 4 - насос циркуляции теплоносителя; 5 -теплообменник блока-модуля; 6 - анаэробный биореактор (4 блока-модуля); 7 - отстойник эффлюента; 8 - насос перемешивания субстрата; 9 - компрессионный тепловой насос; 10 - теплообменник-охладитель; 11 - теплообменник-
нагреватель.
Vr:tr
Qk /
VH; ti Емкость предварительного нагрева VH; tH БГУ-МТ ^ н - ^н Отстойник эффлюента Vh ; tox
QH / Qk / (зимний режим) \ Qk (летний режим) G'th ; t'iH
Gth ; t-гн Компрессионный тепловой насос Етн
Рис. 2. Блок-схема теплового баланса системы теплоснабжения биогазовой установки Fig. 2. Block diagram of the heat balance of the heating system of the biogas plant Vh - суточная доза загрузки, м3/сут; G'th - расход охлаждающего теплоносителя, м3/ч; Gth - расход греющего теплоносителя, м3/ч; ЕТН - расход электроэнергии на привод теплового насоса, кВт-чэлэн'; Q - избыточная теплота рекуперации, кВтчтэн'; QH - теплота, необходимая для нагрева суточной дозы загрузки, кВтчтэн'; QK - потери теплоты от ограждающих конструкций и
трубопроводов, кВтчтэн/сут; Vг - выход биогаза, м3/сут; t-гн - температура греющего теплоносителя, 0С; tr - температура биогаза, 0С; ti- температура исходного субстрата, 0С; tH - температура субстрата, необходимая для поддержания процесса метаногенеза, 0С; tox- температура охлажденного эффлюента, 0С; t'-гнг температура охлаждающего теплоносителя, 0С.
64
ISJAE'l
Блок-схема теплового баланса системы теплоснабжения биогазовой установки с системой теплоснабжения, включающей в себя компрессионный тепловой насос, представлена на рисунке 2.
Биогазовая установка состоит из емкости предварительного нагрева, в котором смонтирован теплообменник, четырех блоков-модулей с внутренними теплообменниками для поддержания температурного режима сбраживания и выгрузными устройствами, которые связанны с отстойником эффлюента.
Водогрейный котел используется при введении биогазовой установки в эксплуатацию (при полностью отключенном компрессионном тепловом насосе), а также в зимний период (с декабря по февраль включительно) для компенсации тепловых теплопотерь через ограждающие поверхности биореактора (компрессионный тепловой насос работает только на предварительный нагрев субстрата).
В отстойнике эффлюента смонтирован теплообменник для отбора тепловой энергии от эффлюента. Теплообменник посредством трубопроводов соединен с испарителем теплового насоса. В испарителе теплового насоса происходит теплообмен между подготовленной водой и низкопотенциальным хладагентом, который после повышения энергетического потенциала в компрессоре теплового насоса направляется в конденсатор теплового насоса.
Теплообменник, расположенный в емкости предварительного нагрева, посредством трубопроводов соединен с конденсатором теплового насоса.
В конденсаторе теплового насоса происходит теплообмен между высокопотенциальным хладагентом и подготовленной водой, которая затем направляется в теплообменник, расположенный в емкости предварительного нагрева, где происходит теплообмен между подготовленной водой и инфлюентом, в результате чего инфлюент нагревается до рабочей температуры процесса сбраживания и поочередно подается в блоки-модули.
Система теплоснабжения, включая
теплообменники и трубопроводы, заполнена подготовленной водой. Подготовленная вода -химически умягченная с помощью комплексонов вода, применяемая для предотвращения выпадения накипи и железистых отложений, а также образования коррозии на стенках трубопроводов и оборудования.
В процессе расслоения обработанного субстрата в отстойнике эффлюента сгущенная фракция эффлюента скапливается в нижней (осадочной) части аппарата. Из-за значительной концентрации анаэробных метаногенных микроорганизмов и наличия остаточного органического вещества
субстрата в осадочной части развивается анаэробный процесс с выделением биогаза. Всплывающие пузырьки биогаза являются причиной резкого падения интенсивности процесса расслоения обработанного субстрата, так как развивается процесс встречного переноса твердой фазы за счет био флотации.
Размещение в нижней части отстойника эффлюента охладителя эффлюента приводит к резкому снижению температуры осажденной биомассы, и, как следствие, к соответствующему снижению остаточного газовыделения. В конечном счете, сокращается продолжительность процесса разделения эффлюента на фракции. Осветленная фракция направляется на доочистку для последующего применения в оборотном водоснабжении, в то время как сгущенная фракция направляется на поля в качестве жидких органических удобрений.
В таблице 1 приведены результаты диагностики обеспеченности растений ячменя элементами питания в фазе колошения [8].
Таблица 1
Результаты диагностики обеспеченности растений ячменя элементами питания в фазе колошения
Table 1
Diagnostics results of barley nutrition provision at paniculation stage
Вариант Содержание в листьях в % на
сухое вещество
^обш Р2 О5 К2 О
1. Контроль без 2,75 1,07 3,15
удобрений
2. Навоз КРС - 20 т/га 3,75 1,15 3,50
3. N30 Р120 К90 3,40 1,22 3,36
4. N60 Р120 К90 3,77 1,20 3,39
5. ЖОУ*** - 5 т/га 3,37 1,11 3,30
6. ЖОУ - 10 т/га 3,43 1,13 3,35
Оптимальное 3,1-3,5 0,7-1,0 2,6-3,5
содержание
* - верхние три листа ячменя в период колошения;
** - минеральное удобрение;
*** - жидкое органическое удобрение.
Как следует из данных таблицы 1, внесение жидкого органического удобрения, в дозах 5 и 10 т/га, наравне с минеральными удобрениями и навозом, обеспечило оптимальное питание растения ячменя азотом, фосфором и калием как за счет собственного их содержания, так и за счет мобилизации этих элементов почвы.
В таблице 2 приведены основные энергетические показатели традиционной установки и установки на основе блоков-модулей с системой теплоснабжения, включающей в себя компрессионный тепловой насос.
Таблица 2
Основные энергетические показатели традиционной установки и установки на основе блоков-модулей с системой теплоснабжения, включающей в себя компрессионный тепловой насос
Table 2
Main power indices of traditional facility and the facility based on block-modules with heat supply
system, including compression heat pump
Параметр Ед. изм. Блочно-модульная БГУ с Традиционная
тепловым насосом БГУ
Уг - количество выработанного биогаза м3/сут. 320 300
Qн - количество тепловой энергии на предварительный нагрев субстрата до температуры брожения кВтчтэн. 862,75 862,75
Qк - количество тепловой энергии на компенсацию
теплопотерь от ограждающих конструкций и трубопроводов кВтчтэн. 72,908 36,454
Qр - количество рекуперированной тепловой энергии кВтчтэн. 1035,6 0
Qсн/(nт*^) - количество тепловой энергии на м3/сут.
собственные нужды, перечитанное на количество биогаза 0 167,294
Есн/(г|эл*^) - количество электроэнергии на собственные нужды, перечитанное на количество биогаза м3/сут. 115,487 10,525
Выход товарного биогаза м3/сут. 204,513 122,181
На рисунке 3 показаны выходы биогаза с учетом расходов энергии на собственные нужды традиционной установки и установки на основе блоков-модулей с системой теплоснабжения, включающей в себя компрессионный тепловой насос.
Рис. 3. Гистограмма сравнения энергетических балансов биогазовых установок традиционного и блочно-модульного типов для фермы на 400 голов КРС Fig. 3. Histogram comparing the energy balances of biogas plants of traditional and block-modular types for the farm for 400 heads of cattle
Применение блочно-модульной конструкции биогазовой установки позволит:
1. Интенсифицировать тепло и массообмен в реакторах-модулях, что, в свою очередь, приведет к повышению производительности по сравнению с традиционными метантенками.
2. Оперативно управлять важнейшими показателями оптимальных условий
жизнедеятельности микробного сообщества в реакторном пространстве, что приведет к повышению устойчивости системы к внешним воздействиям.
3. Сократить капитальные затраты на строительство и обеспечить высокое качество изготовления и монтажа оборудования.
Применение компрессионного
термотрансформатора в системе теплоснабжения биогазовых установок блочно-модульного типа позволит:
1. Значительно сократить затраты на собственные нужды, что, в конечном счете, приведет к существенному увеличению объемов товарного биогаза.
2. Сократить время осаждения обработанного субстрата за счет его интенсивного охлаждения в отстойнике эффлюента.
3. Получать дополнительную тепловую энергию в виде горячей воды при увеличении времени работы термотрансформатора.
Список литературы
1. Отчет лаборатории биоэнергетических установок ГНУ ВИЭСХ РАСХН за 2006-2010 годы.
2. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат. 1982.
3. Шевелуха В.С., Калашникова Е.А., Кочиева Е.З. и др. Сельскохозяйственная биотехнология, М.: Высшая школа. 2008.
4. Ковалёв А. А., Ковалёв Д. А., Харченко В.В. Сравнительные показатели тепловых насосов в системе теплоснабжения биогазовых установок,
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
журнал «Механизация и электрификация сельского хозяйства». №4. 2012.
5. СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».
6. Гюнтер Л.И., Гольдфарб Л.Л. Метантенки, М.: Стройиздат. 1991.
7. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика. М.: Колос. 1982.
8. Отчет лаборатории биоэнергетических установок ГНУ ВИЭСХ РАСХН за 2002 год.
