CC BY
108
8. Манасян, С.К. Мониторинг процесса сушки зерна в позонной шахтной зерносушилке / С.К. Манасян II Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регион. науч. конф. - Красноярск, 2006. - С. 273-275.
'--------♦------------
УДК 636.087 С.М. Биркин, Н.М. Антонов
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМЫ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА
Намечены задачи повышения эффективности функционирования биогазовых установок с теплоэнергетической точки зрения. Рассмотрены преимущества и недостатки нескольких технологических схем обогрева биогазовых установок, предназначенных для утилизации навоза животноводческих ферм и комплексов в различных климатических условиях.
Ключевые слова: биогаз, биореактор, анаэробный, температура, теплоснабжение, навоз, утилизация, субстрат, схема.
S.M. Birkin, N.M. Antonov
PERFECTION OF THE SCHEME OF ANAIROBIC PROCESSING OF THE WASTE OF ANIMAL INDUSTRIES
Imrovement of the scheme of stock-breeding waste anaerobic processing. The tasks to increase biogas installations fanctioning efficiency from the heat power standpoint are given in the article. Advantages and disadvantages of the technological schemes of biogas installations heating intended for utilization of stock-breeding farms and complexes manure in different climatic conditions are considered.
Key words: biogas, bioreactor, anaerobic, temperature, a heat supply, manure, utilization, substratum, scheme.
Животноводческие предприятия постоянно сталкиваются с проблемой утилизации и переработки больших масс экскрементов. Существующие мероприятия по утилизации биологических отходов характеризуются значительными капитальными затратами и требуют существенных трудовых и энергетических затрат [1].
В связи с постоянным ростом цен на энергоносители наиболее перспективным способом обработки и обеззараживания жидкого навоза на животноводческих комплексах является его анаэробная переработка в биогазовых установках. Применение биогазовых установок (БГУ) позволяет не только производить очистку сточных вод, но также получать ценное удобрение и органическое топливо - биогаз.
Для протекания процесса анаэробного сбраживания необходимо: проводить предварительный подогрев биомассы до необходимой температуры; поддержанивать постоянный уровень температуры; постоянно подавать подготовленные питательные вещества в биореактор; следить за стабилизацией консистенции сбраживаемого материала в реакторе путем полного перемешивания одновременно с подачей питательных веществ - свежего субстрата.
Анаэробная переработка отходов приводит к необходимости направлять до 40-50 % продуцируемого биогаза на теплоснабжение технологического оборудования, остальное количество биогаза можно использовать для внутрихозяйственных нужд животноводческих комплексов. При работе оборудования в системах термической обработки навоза происходят большие потери тепла, а имеющиеся теплообменные устройства малоэффективны и ненадежны при работе на навозных стоках [2]. Увеличить долю товарного биогаза можно путем совершенствования энергоснабжения биогазовой установки [4].
Повышение энергоэффективности биогазовых установок необходимо рассматривать в контексте решения следующих задач:
- уменьшение затрат тепла по статьям расхода на собственные нужды установки, определение наиболее эффективных теплообменников;
- уменьшение механических и электрических затрат на перемещение и перекачку жидкостей;
- увеличение скорости протекания реакций, что позволит увеличить дозы загрузки биореактора.
Способ обогрева БГУ осуществляется по следующим схемам. По принципу подключения к сетям теплоснабжения можно выделить однотрубную и двухтрубную схемы (рис. 1-2). Основное различие предла-
гаемых схем от существующих заключается в том, что навоз в холодный период года до загрузки в биореактор для поддержания требуемой температуры (плюс 5°С) предварительно подогревается в приемном резервуаре. Это техническое решение обосновывается цикличностью загрузки биореакторов и значительным сроком хранения исходного сырья между загрузкой и выгрузкой. Отсутствие предварительного подогрева свежего субстрата и утилизации тепла сброженного субстрата приводит к значительным колебаниям температур внутри реактора, зависящих от дозы загрузки и режима сбраживания. Колебания температур в этом случае находятся в пределах от 2,1 (мезофильный режим) до 7,5°С (термофильный режим). Для предотвращения таких колебаний требуется предусматривать ступень предварительного подогрева или теплообменники утилизаторы тепла сброженного субстрата. Применение теплоутилизаторов позволяет снизить колебание температур внутри реактора до величин 1,3 и 4,4°С соответственно, что позволяет исключить дополнительную ступень подогрева в случае мезофильного режима.
В момент загрузки в биореактор свежий субстрат поступает предварительно в теплоутилизатор, где происходит его подготовка в течение 1 ч. За это время он подогревается до I = 17оС (мезофильный режим) или t = 29оС (термофильный режим). Свежий субстрат поступает в биореактор с температурой, не соответствующей режиму сбраживания. При этом происходит понижение температуры внутри биореактора на 1,3оС (для мезофильного режима). Система обогрева биореактора рассчитывается таким образом, чтобы обеспечивать догрев биомассы в течение цикла работы установки до расчетной температуры. В этом случае колебание температуры находится в пределах 2оС и не влияет на процесс переработки.
В связи с ограничением температуры контактной поверхности системы обогрева биореактора оптимальным представляется количественное регулирование отпуска тепла.
Принцип работы изображенных на рис. 1-2 схем следующий. Образующийся в течение суток навоз направляется в накопительный резервуар. В зимний период резервуар обогревается для предотвращения обмерзания навоза и поддержания температуры на уровне не ниже плюс 5°С. В зависимости от режима работы БГУ производится загрузка биореактора. При этом свежий субстрат направляется в теплообменник утилизации тепла сброженного субстрата. После загрузки в реактор осуществляется поддержание температуры режима сбраживания системой обогрева.
Рис. 1. Принципиальная однотрубная схема обогрева БГУ с применением утилизации тепла сброженного субстрата: 1 - животноводческое помещение; 2 - приемный резервуар; 3 - система обогрева приемного резервуара; 4 - теплообменник (теплоутилизатор); 5 - биореактор; 6 - система обогрева биореактора; 7 - влагоотделитель; 8 - хранилище переработанного субстрата; 9 - очистные сооружения оборотной
воды; 10 - котельная
Дополнительное различие предлагаемых схем заключается в том, что для двухтрубной схемы (рис. 2) обогрев приемного резервуара осуществляется от общей магистрали. Это обеспечивает большую теплоотдачу системы обогрева резервуара и более точное поддержание температуры. При обогреве по однотрубной схеме (рис. 1) температура в резервуаре зависит от температуры в биореакторе. В связи с этим требуется более точный расчет поверхностей нагрева системы. Использование однотрубной схемы представляется более приемлемым для крупных животноводческих комплексов, располагаемых в районах с более низкой расчетной температурой. Использование двухтрубной схемы более рационально для небольших и средних комплексов, так как они требуют более точного регулирования из-за меньших габаритов и малой инерционности.
Рис. 2. Принципиальная двухтрубная схема обогрева БГУ с применением утилизации тепла сброженного субстрата: 1 - животноводческое помещение; 2 - приемный резервуар; 3 - система обогрева приемного резервуара; 4 - теплообменник (теплоутилизатор); 5 - биореактор; 6 - система обогрева биореактора; 7 - влагоотделитель; 8 - хранилище переработанного субстрата; 9 - очистные сооружения оборотной
воды; 10 - котельная
Предлагаемые схемы могут быть видоизменены при подключении теплообменника предварительного подогрева (рис. 3-4), что предпочтительно для регионов с низкими расчетными температурами, а также для крупных животноводческих комплексов. Установка предварительного подогревателя может положительно влиять на уменьшение нагрузки в системе обогрева биореактора.
На основании изучения цикличного режима работы теплоутилизатора была усовершенствована схема теплоснабжения БГУ (рис. 5). Для повышения эффективности предлагается использовать один рабочий теплообменник для нескольких биореакторов, оставляя второй как резервный на случай остановки первого. Это позволяет увеличить периодичность загрузки теплообменника в два раза и снизить потери в окружающую среду во время простоя. Данная схема (рис. 5) позволяет повысить температуру поступающего субстрата до 18,4 оС (для мезофильного режима) и снизить затраты на обогрев дополнительно на 4-5 %.
Вода
Рис. З. Принципиальная двухтрубная схема обогрева БГУ с применением утилизации тепла сброженного субстрата и предварительного подогревателя: 1 - животноводческое помещение;
2 - приемный резервуар; 3 - система обогрева приемного резервуара; 4 - теплообменник (теплоутилизатор); 5 - биореактор; 6 - система обогрева биореактора; 7 - влагоотделитель; 8 - хранилище переработанного субстрата; 9 - очистные сооружения оборотной воды; 10 - котельная;
11 - предварительный подогреватель загружаемого субстрата
Основным теплоносителем для теплоснабжения систем обогрева БГУ является горячая вода. Однако можно применять и другие теплоносители, например, перегретый или насыщенный пар.
Встречающиеся в литературе предложения по применению для обогрева дымовых газов являются технически не оправданными и малоэффективными и не могут рассматриваться как перспективные в связи с малой теплоемкостью дымовых газов и ограничений по температуре поверхности контакта.
На основании изучения климатических условий эксплуатации и размеров БГУ составлена классификационная таблица для выбора схемы теплоснабжения БГУ (табл.). Для составлении данной классификации были произведены тепловые расчеты биореакторов на основании методики, представленной в [3]. При выполнении расчетов было установлено:
- при анализе затрат на собственные нужды БГУ определено, что с увеличением размеров биореакторов доля затрат на компенсацию теплопотерь последних снижается, а доля затрат на подогрев субстрата возрастает;
- колебание температур при загрузке свежего субстрата может повлиять на режим сбраживания и снизить производительность установки;
- в связи с цикличностью загрузки биореактора для регионов с низкими расчетными температурами может возникать опасность замерзания субстрата и остановки оборудования;
- мощность системы обогрева биореактора ограничена температурой контактной поверхности и увеличивается только за счет контактной площади, что вызывает в определенных случаях необходимость установки предварительного подогрева;
- применяемый объем биореакторов на комплексах с большим поголовьем животных наиболее предпочтителен с точки зрения затрат на собственные нужды и обеспечения производства собственными энергоресурсами;
- для выбора рациональной схемы размер комплекса определялся исходя из объема биореактора: крупные - при объеме биореактора более 60 м3 (более 100 голов крупного рогатого скота; более 750 голов свиней); средние - 30-60 м3; небольшие - до 30 м3 (до 50 голов крупного рогатого скота; до 375 голов свиней);
- для составления классификационной таблицы использована карта климатического районирования территории РФ по [5], при этом параметры принимались по картам распределения: 1) средней температуры
воздуха отопительного периода; 2) температур холодной пятидневки и наиболее холодных суток; 3) продолжительности отопительного периода.
Рис. 4. Принципиальная однотрубная схема обогрева БГУ с применением утилизации тепла сброженного
субстрата и предварительного подогревателя:
1 - животноводческое помещение; 2 - приемный резервуар; З - система обогрева приемного резервуара;
4 - теплообменник (теплоутилизатор); 5 - биореактор; б - система обогрева биореактора;
7 - влагоотделитель; 8 - хранилище переработанного субстрата; 9 - очистные сооружения оборотной воды; 10 - котельная; 11 - предварительный подогреватель загружаемого субстрата
Рис. 5. Усовершенствованная схема обогрева БГУ с мезофильным режимом работы:
1 - животноводческое помещение; 2 - приемный резервуар; З - система обогрева приемного резервуара;
4а - рабочий теплоутилизатор; 4б - резервный; 5 - биореактор; б - система обогрева биореактора;
7 - влагоотделитель; 8 - хранилище переработанного субстрата; 9 - очистные сооружения оборотной
воды; 10 - котельная
Рекомендуемые схемы теплоснабжения БГУ животноводческих комплексов
Климатический район Тип комплекса
Крупные Средние Небольшие
ІД Двухтрубная с утилизацией тепла сброженного осадка по схеме рис. 5 с предпо-догревателем (рис. 3) Двухтрубная с утилизацией тепла сброженного осадка по схеме рис. 5 с предпо-догревателем (рис. 3) Двухтрубная с утилизацией тепла сброженного осадка с предподог-ревателем (рис. 3)
ІВ Двухтрубная с утилизацией тепла сброженного осадка по схеме рис. 5 с предпо-догревателем (рис. 3) Двухтрубная с утилизацией тепла сброженного осадка по схеме рис. 5 с предпо-догревателем (рис. 3) Однотрубная с утилизацией тепла сброженного осадка с предпо-догревателем (рис. 4)
11В Двухтрубная или однотрубная с утилизацией тепла сброженного осадка по схеме рис. 5 с предподог-ревателем (рис. 3-4) Двухтрубная или однотрубная с утилизацией тепла сброженного осадка по схеме рис. 5 с предподог-ревателем (рис. 3-4) Однотрубная с утилизацией тепла сброженного осадка (рис. 1)
ІІІВ Двухтрубная или однотрубная с утилизацией тепла сброженного осадка с пред-подогревателем (рис. 3, 4) Двухтрубная или однотрубная с утилизацией тепла сброженного осадка (рис. 1-2) Однотрубная с утилизацией тепла сброженного осадка (рис. 1)
ІІІБ Двухтрубная или однотрубная с утилизацией тепла сброженного осадка (рис. 1-2) Однотрубная с утилизацией тепла сброженного осадка (рис. 1) Однотрубная с утилизацией тепла сброженного осадка (рис. 1)
Параметрами оптимизации служили снижение доли потерь в окружающую среду системой теплоснабжения и снижение общих затрат на собственные нужды БГУ.
Литература
1. Животноводческие комплексы и охрана окружающей среды / Ю.И. Ворошилов, С.Д. Дурдыбаем, Л.Н. Ел-банова [и др.]. - М.: Агропромиздат, 1991. - 107 с.
2. Мариненко, Е.Е. Использование биогаза в коммунальном и сельском хозяйстве / Е.Е. Мариненко // Новые технологии в жилищно-коммунальном хозяйстве: сб. тез. докл. конгресса. - СПб., 2002. - С. 22-23.
3. Мариненко, Е.Е. Основы получения и использования биотоплива для решения вопросов энергосбережения и охраны окружающей среды в жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве: учеб. пособие / Е.Е. Мариненко. - Волгоград, 2003. - 100 с.
4. Келов, К. Разработка научных основ технологии метанового сбраживания отходов животноводства и создание биогазовых установок с использованием солнечной энергии: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / К. Келов. - Ашхабад, 1990. - 32 с.
5. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология. - М.: Госстрой России, 2000.
'-------♦------------
