CC BY
27УДК.: 631.22.018
Каюмов Т.Х
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ С ДРОБИЛЬНЫМ
УСТРОЙСТВОМ
Каюмов Т.Х.- ст.преподаватель (Андижанский институт сельского хозяйства и агротехнологии)
Ушбу мацолада чорва уайвонларнинг органик чщиндиларидан иборат биомассадан биогаз цурилмасида анаэроб ишлов бериш орцали биогаз олиш технологиясининг иссицлик баланси таулили ва унинг уисоби келтирилган. Шунингдек, биогаз цурилмасининг иссицлик уимоя материали буйича уисобланган маълумотлар берилган. Кичик биогаз цурилмаларининг ишлаши пайтида эътиборга олиниши керак булган энергетик жиуатлари уацида маълумотлар ёритилган.
Калит сузлар: биомасса, биогаз, биогумус, анаэробжараён, экзотермикреакция, иссик;ликок;ими, иссик;ликмик;дори, иссицлик утказувчанлик коэффициенти, иссицлик сигими.
This article presents the analysis and calculation of the heat balance of the technology for producing biogas by anaerobic processing in a biogas device from biomass, consisting of organic animal waste. It also provides calculated data on the heat-shielding material of the biogas device. Information is given on the energy aspects that should be paid attention to in the process. operation of small-volume biogas plants.
Key words: biomass, biogas, biosludge, anaerobic process, exothermic reaction, heat flow, amount of heat, thermal conductivity coefficient, heat capacity.
Введение. В мире ведется научно-исследовательская работа по разработке научно обоснованных методов расчета для анаэробной переработки органических отходов. В связи с этим особое внимание уделяется проведению новых экспериментальных исследований негативных последствий повышенного энергопотребления в режиме надежной работы и эксплуатации биогазовых устройств, а также их научному обоснованию [1, 2, 3].
Постановка вопроса. В научных работах ученых Д.Ю.Суслова и С.А.Кравченко, исследовавших расход энергии в установках биогаза, в полной мере исследован тепловой баланс крупногабаритных БГУ (биогазовых установок) [4; 5]. Их анализ показывает, что 13% тепловой энергиии 80% электроэнергии, получаемой от традиционно работающих БГУ, сохраняются в товарном состоянии. Но недостаточно данных о составе органических отходов, поступающих на переработку, и о содержании влаги в биомассе, количестве рН, содержании грубых веществ, показателях антибиотической смеси. Также нет данных о том, что на этих установках проводились работы по измельчению биомассы в процессе ее первичной обработки. В рекуперативной БГУ не указана энергия экзотермической реакции и точное количество энергии, которое выделяется вместе с биошламом.
Методика. В настоящее время многие биогазовые установки работают в мезофильном температурном режиме. Наша экспериментальная БГУ оснащена с дробильным устройством и имеет длину 5 метров, радиус 0,8 метра с габаритными размерами, объем фазы жидкой биомассы 8,5 м3. Суточная загрузка биомассы 1,275 м3/сут. и коэффициент теплопроводности теплозащитного покрытия «KNAUF» равно 0,044 Вт/м.°К.
Qr
Qn
Рис.1. Схема распределения теплового потока в БГУ.
В соответствии с распределением теплового потока устройства для извлечения биогаза тепловой баланс определяется с использованием следующей формулы (1).
Y>Qв + Qэ = Y>Qр + Qп, (1)
Здесь,
Qв - общий вводимый тепловой поток, кВтч;
Qэ-количество тепла, выделяемого в процессе экзотермической реакции, кВтч;
Qр - общий расходуемый тепловой поток, кВтч;
Qп - количество тепла, теряемого с поверхности БГУ, кВтч.
При определении количества тепла (2), теряемого с ^пп) продольной поверхности БГУ в окружающую среду, использовалась "формула Фьюри для определения количества тепла, теряемого для продольных стенок цилиндрической трубы" [6; 34-36]. Здесь потребуется рабочая температура в устройстве, температура окружающей среды, размеры его габаритов и теплопроводность его материала.
Чпп = -—Г2-= 30,6 , (2)
1пя Й!
где: dl - наружный диаметр БГУ, 1,6 м;
d2 - внутренний диаметр БГУ, 1,59 м; Т1 - температурный режим БГУ, 3090 К; Т2 - температура окружающей среды, 295 0К;
X - коэффициент теплопроводности поверхности БГУ[7], 74,4 Вт/м.0К; L - длина БГУ, 5 м;
На основе представленных значений мы находим общую поверхность БГУ:
F = Fп + Fб = 2пИк + 2пИ2 = 25,12 + 4,02 = 29,14; м2 (3)
Здесь,
Fп - продольная поверхность БГУ; Fб - боковая поверхность БГУ.
Исходя из количества тепла, потерянного при продольной длине ^пп), мы определяем плотность (^)теплового потока на поверхности продольной длины БГУ (Рп) :
0ип=^=1.45 квт-ч, (4)
п ^ 25.12 м2 ' 4 '
Следовательно, общие потери тепловой энергии с поверхности БГУ без теплозащитного покрытия перечисленных размеров Q=q-F= 1,4529,14=36,4 кВт- час
С помощью теплозащитного покрытия (Knauf) мы определяем количество тепловой энергии, теряемой после нанесения покрытия на оптимальном уровне (5 мм), а также
количество теплозащитного материала [8]. В этом случае мы повторно применяем "формулу Фьюри" для определения потерянной энергии.
6.28 • 0.044 • 5 • (308 — 295) Qп =-^-= 2,9 кВт ■ ч.
1пТ6
Если рабочая температура БГУ составляет 360 С, а общий объем составляет 10 м , БГУ с тепловой защитой экономит 34,8 кВтчас тепловой энергии по сравнению с БГУ без покрытия.
Объем средства тепловой защиты, используемого для этой внешней поверхности БГУ площадью 29,14 м2, был рассчитан по следующей формуле, и в этом расчете объем защитной оболочки составлял 1,75 м3 при толщине 50 мм.
Ур = (пг? • 11 — лт| • 12) + 2лт| • (г2 — г1) = 1,75 м3 (5)
Таким образом здесь
V, - Объём материала для термозащиты, м3;
Г1 - радиусы на внутренней стороне защитного покрытия БГУ, 0,8 м; г2 - радиусы на внешней стороне защитного покрытия БГУ, 0,85 м; L1 - длина БГУ без защитного покрытия, 5 м; L2 - длина БГУ с защитным покрытием, 5,1 м;
Когда сухое органическое вещество (СОВ), содержащееся в биомассе, участвующей в экзотермической реакции, полностью распалось, ученые, проводившие исследования в этой области (Д.Твайделл и А.Уэйрс), определили разложение количества тепловой энергии на килограмм СОВЭр=1,5 МДж/м3 [9, 290-292].
В целях упрощения работы по определению количества СОВ, опираясь на информацию, представленную в справочнике [10], можно определить, что в каждом килограмме КРС навоза с содержанием влаги 75% количество СОВ (Мсов) составляет 20,3%. Количество СОВ в жидкой биомассе из 8500 килограмних в БГУ составляет Мсов=1407 кг. С учетом суточной дозой загрузки это количество составляет МсоВс=211 кг. В этом случае суточное количество тепла, выделяющееся в результате экзетермической реакции, рассчитывается следующим образом.
Ср = Эр • Мсовс = 88 кВт ■ ч (6)
Общее количество тепла, вводимое в БГУ, равно сумме затрат на нагрев температуры вновь загруженной биомассы до 360С и поддержание БГУ в температурных режимах. Также тепловые потоки, затраченные на БГУ, выходят в составе биошлама и биогаза. Сумма затраченного теплового потока будет следующей:
1Св = Сн + Со [кВт ■ ч]. 1Ср = Сш+Сг [кВт ■ ч].
Таким образом,
Qш - расход количества тепла, выделяемого биошламом;
Qг - расход количества тепла, выделяемого биогазом;
Qo- количество тепла для обеспечения рабочей температуры БГУ;
Qн- количество тепла, необходимое для нагрева ежедневно загружаемой новой биомассы
Для определения других тепловых потоков используется формула 7, а также таблица 1 на основе теплофизических свойств биомассы, биогаза и биошлама. В этом случае температура биошлама и биогаза равна рабочей температуре БГУ.
Таблица 1
Некоторые теплофизические свойства веществ в БГУ
Вещество Признак ' Соломенная биомасса Биошлам Биогаз
с-теплоемкость, кДж/кг0К 3.9810-3 4.1810-3 1.3 10-3
у-дневной объем, м3 1275 1237 16
р - плотность, кг/м3 890 1020-1140 0.72
Т - температура, 0К 286 309 309
W - влажность, % 89 92 0.810-3
Удельный вес, кг 0.7 0.9 0.55 г/литр
Q = с • V • р • Т [кВт • ч]. (7)
Ш.Ж.Имамов, проводивший исследования в области теплового баланса БГУ, на основе своего предложения по совершенствованию БГУ разработал технологическое устройство, заменяющее тепловую энергию, выделяемую из устройства биошламом, на новую биомассу [11; 12]. Соответственно, устройство рекуператора при теплообмене биошлама с температурой 36 0С и свежезагруженной биомассы с температурой 13 0С свидетельствует о резком повышении эффективности БГУ в результате сохранения 70% тепла. При определении (формула 8) отводимой биошламом тепловой энергии расчеты при коэффициенте рекуперации Рео= 0,3 и коэффициенте рекуперации, возвращающемся с новой биомассой(формула 9) при Рев = 0,7, следующие:
Qш = Ре0 -сш-рш-рш-Тш = 135,8 кВт • ч (8 )
Си = (^6 • ^б • Рб • Тб) - (Рев рш- Тш) = 41,9 кВт • ч (9)
Учитывая, что температура биомассы в течение года колеблется в пределах +2...+13 0С (фактически равна температуре воздуха), количество теплового потока, затраченного после рекуперативного нагрева новой биомассы загружаемой на БГУ, составляет 41.9 кВтч
Qг = сг-рг- рг-Тг = 0,0013 кВт • ч (10)
По формуле (11) определяется количество тепла, которое обеспечивает удержание биогазового устройства до нужной температуры.
Со = Сш + Сг + Сп - Ср - Си = 8.9 кВт • ч (11)
Таким образом, в нашем анализе для поддержания при 36 0С мезофильной температуры биомассы до влажности 92% в БГУ требуется 8,9 кВтч тепловой энергии.
Подставляя результаты в формулу (1), расширенное уравнение полного теплового баланса БГУ и его решение имеют следующий вид:
Си + Со + Ср = Сш + Сг + Qп 41,9 + 8,9 + 88 = 135,8 + 0,0013 + 2,9
Из приведенной выше диаграммы известно, что максимальное количество тепловой энергии (135,8 кВтч) в БГУ отводится с биошламом.
Тепловые потоки, кВтч
Qh Qo Qp Qш Qr Qn
Рис. 2. Диаграмма распределения потоков тепловой энергии в БГУ.
Из приведенной выше диаграммы известно, что максимальное количество тепловой энергии (135,8 кВтч) в БГУ отводится с биошламом.
Заключение. Тепловой баланс биогазовой установки составляет 138,8 кВт-час, из них для нагрева новой биомассы требуется 30% тепловой энергии и 6,4% для поддержания рабочей температуры. Это означает, что даже после использования рекуператора, БГУ теряет 69% тепловой энергии.10 м3объёмный БГУ 63,4% от общей затраченной и потерянной энергии обеспечивает энергия, образующаяся в результате экзотермической реакции.Чтобы избежать потерь энергии, необходимо также проверять теплозащитные средства во время технического обслуживания БГУ [13].
ЛИТЕРАТУРА
1. Conti, F., Wiedemannn, L., Saidi, A., Sonnleitner, M., Goldbrunner, M. Mixing of a model substrate in a scale-down laboratory digester and processing with a computational fluid dynamics model (2018) European Biomass Conference and Exhibition Proceedings, 2018 (26thEUBCE), pp. 811-814.
2. Имомов Ш., ^аюмов Т., Усмонов К., Хакимов Б., Султонов М. Способ переработки органических отходов и установка для его осуществления. Патент IAP№06719, UZ. 31.01.2022.
3. Каюмов Т. Х., Имомов Ш. Ж. Влияние глубины биомассы на выделение биометана //Инновационная наука. - 2021. - №. 5. - С. 47-50.
4. Суслов Д.Ю, Темников Д.О. Тепловой баланс биогазовой конструкции с барбатажным перемешиванием биомассы / Вестник Белгородский ГТУ им. В.Г.Шухова - 2015 №1, 182-185 стр.
5. Кравченко С.А. (Харьковский ПИ) Энергетический баланс комплекса по обеззарживанию отходов сельского хозяйства с получением биогаза и высококачественных органических удобрений / журнал Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит - 2010 №2(72), 23-25 стр.
6. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача / "Энергия", Москва-1975 й. 478-стр
7. Теплопроводность металлов.Источник: https://chemiday.com/blog/2016-11-13-37
8. Теплоизоляционная материал KNAUFИсточник:https://stroyka.uz/offer/utepliteli-knauf-insulation-teploizolyatsiya-zvukoizolyatsiya
9. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ.-М.: Энергоатомиздат. 1990.-392стр.
10. Справочник по использованию органических отходов в качестве удобрения https://www.pesticidy.ru/active compound/Manure#lit source 991
11. Имомов Ш. Технология рекуперации и тепловых отходов биогазовых установок / Межд. Агро науч. техн. жур. Вып № 4, 2016, Алма-Ата, с 53-61.
12. Имомов Ш., Обоснование параметров рекуператора тепловых отходов биогазовых установок для переработки жидкого навоза / дисс к.т.н. 1991. - стр. 138.
13. Economic and statistical methods of frequency maintenance of biogas plants / S. Imomov, E. Shodiev, V. Tagaev, T. Qayumov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Kari Niyozov street, 39-house, Tashkent City, 23-25 апреля 2020 года. - Kari Niyozov street, 39-house, Tashkent City, 2020. - P. 012124. - DOI 10.1088/1757-899X/883/1/012124. - EDN GDWBYJ.
