НовостиВ современных условиях органические материалы признаются одним из крупнейших источников энергии. В мире ежегодно образуется свыше 160 млрд тонн возобновляемых ресурсов в виде биологической массы, которая может использоваться в качестве сырья для биогазовых установок.
В зависимости от сырьевой базы, целей создания биогазовой установки, финансовых возможностей ее инвесторов осуществляется выбор технологии переработки биологической массы.
Этапы проектирования биогазовых установок
Процесс проектирования предполагает реализацию следующих стадий:
- формулирование идеи проекта;
- выполнение ТЭО;
- осуществление расчетов и детального проектирования оборудования для производства биогаза.
Формулирование идеи проекта
Чтобы определить реальную идею проектирования биогазовой установки, нужно ответить на ряд вопросов:
Каковы цели реализации биогазового проекта?
Цели ввода биогазовых установок могут быть разнообразными:
- снижение объемов отходов;
- защита природной среды;
- производство энергии (для отопления зданий, нагревания воды, сушки сена и семян, для обеспечения работы газовых двигателей, получения электроэнергии, производства удобрений).
Какими возможностями располагают инвесторы строительства биогазовой установки?
На этой стадии рекомендуется получить представление о капитальных, эксплуатационных расходах, а также тратах на техническое обслуживание наиболее распространенных моделей биогазовых установок. Данная информация приведена в таблице 1.
Каким сырьем может быть обеспечена установка в непрерывном режиме?
Органические материалы подразделяются на две группы:
- растительные культуры, например, травы, кукуруза, овощи, хлебные злаки;
- отходы пищевой и перерабатывающих отраслей, например, навоз, помет, жиры, канализационные стоки, биологический мусор, спиртовая барда.
Таким образом, очевидно, что каждый из реализуемых проектов строительства биогазового оборудования уникален. А вот рекомендации по расчету биогазовых установок являются общими для любых проектов.
Методические рекомендации по расчету биогазовых установок
Расчет биогазовой установки — важнейший элемент проектирования и всегда предваряет выбор технологии и тем более конструктивного исполнения оборудования. Прежде всего, требуется определить:
- тип процесса брожения (термофильный либо мезофильный);
- длительность брожения;
- организацию сбора биогаза;
- порядок заполнения метантенка;
- вариант организации теплоснабжения метантенка (резервуара);
- способ загрузки субстрата и удаления шлама.
А также произвести расчеты:
- суточного объема биомассы, предназначенной для сбраживания;
- суточного объема биомассы, включающей примеси;
- содержания сухого вещества в биомассе;
- содержания сухих органических веществ в биомассе;
- теоретического выхода биогаза при условии полного разложения субстрата;
- теоретического выхода биогаза при неполном сбраживании;
- проектируемого объема метантенка, рассчитанного на полную загрузку;
- количества теплоты, требуемой для нагрева ежесуточно загружаемой биомассы до необходимой температуры брожения;
- тепловых потерь биогазовой станции;
- необходимой энергии для перемешивания биомассы;
- суточной выработки биогазовым оборудованием полезной энергии;
- экономии условного топлива за счет выработанного биогаза.
Следует помнить, что в процессе проектирования биогазовых установок применяются эмпирические данные, полученные в лабораториях. Подобная информация подвергается обработке и группировке в специальные таблицы параметров технологических процессов. Но значение погрешности в таблицах может достигать 50 %. Поэтому спрогнозировать суточные показатели объемов и состава получаемого биогаза для проектируемого оборудования можно лишь с невысокой точностью. Наращивание точности расчета требует проведения собственного лабораторного эксперимента. Тем не менее, даже самые примитивные расчеты позволят оценить приблизительные параметры выхода биогаза.
В процессе проектирования ключевое значение имеет определение оптимального объема биомассы, загружаемой для переработки. При меньших объемах органического материала нарушается равновесие системы, при увеличенных загрузках наблюдается переокисление биологической массы, что обуславливает замедление выделения биогаза.
Суточный объем биомассы, которая предназначается к сбраживанию, рассчитывается по формуле:
Mсут = ΣKi mi,
где Ki - численность животных; mi - ежесуточный объем навоза от каждого животного.
Анализ элементов, содержащихся в навозе, свидетельствует, что в нем имеется: около 25–93 % воды, 13–17 % подстилки, 7–11 % корма, до 17 % грунтовой массы и иных примесей. Наличие этих компонентов оказывает воздействие на объемы сухих органических компонентов в субстрате, кроме того, объем воды определяет влажность биомассы. Для определения содержимого сухих компонентов, а также параметров влажности используют специальные таблицы и поправочные коэффициенты.
Суточный объем биомассы, включающей примеси, рассчитывается по формуле:
Мсут общ = Kn mобщ,
где kn – значение поправочного коэффициента (находится в диапазоне 1,3–1,6), mобщ. - ежесуточный объем навоза от всех животных.
Расчет содержания сухого вещества в биомассе осуществляется по формуле:
M cв = Мсут общ (1– V%/100),
где V% - влажность биомассы.
Расчет содержания сухих органических веществ в биомассе:
Mcoв = Mcв (Rcoв%/100),
где Rcoв% - содержание сухих органических веществ в биомассе, Mcв - содержание сухого вещества в биомассе.
Для получения более достоверных параметров содержания сухих органических веществ в биомассе требуется получить пробы сырья и выполнить анализы в лабораторных условиях.
Теоретический выход биогаза при условии полного разложения субстрата:
Бтп = Mcoв N,
где N - содержание сухих органических веществ в биомассе, %, Mcoв- содержание сухих органических веществ в биомассе.
Теоретический выход биогаза при неполном сбраживании:
Бтн = Бтп (F%/100),
где F% - уровень сбраживания биомассы (принимается в диапазоне 60-70%), Бтп - теоретический выход биогаза при условии полного разложения субстрата.
Проектируемый объем метантенка, рассчитанный на полную загрузку, определяется по формуле:
Vпз = Мсут общ /(Чсут П),
где Чсут – количество ежесуточных загрузок биогазовой установки, П - плотность биомассы (кг/м3), Мсут общ - суточный объем биомассы, включающей примеси.
Количество теплоты, требуемой для нагрева ежесуточно загружаемой биомассы до необходимой температуры брожения, определяется по формуле:
Qт = Мсут С (tб-tзс),
где Мсут - суточный объем биомассы, предназначенной для сбраживания, С - средняя теплоемкость биомассы (С = 4,18∙10-3 МДж/(кг∙К)), tб – температура брожения (зависит от типов бродильных процессов: для мезофильного +32... +34 °С, для термофильного +52... +54 °С), tзс - температура загруженной биомассы (равна либо t° помещения, либо t° окружающей среды).
Тепловые потери биогазовой установки определяются по формуле:
Qу = k∙S(tб-tо),
где k – коэффициент, характеризующий теплопередачу от биомассы природной среде Вт/(м2∙К), S – размеры площади поверхности метантенка, tб – температура брожения, tо - температура воздуха.
Расчет необходимой энергии для перемешивания биомассы определяется по формуле:
Qп = H∙М∙Y,
где H – значение удельной нагрузки на смешивающее устройство (50 Вт/м3∙ч), M - объем метантенка, Y - длительность функционирования смешивающего устройства в течение суток.
Суточная выработка биогазовым оборудованием полезной энергии, МДж:
Qб= Бтн -Qт - Qу –Qп,
где Бтн - теоретический выход биогаза при неполном сбраживании, Qт – количество теплоты, требуемой для нагрева ежесуточно загружаемой биомассы до необходимой t° брожения, Qу – тепловые потери биогазовой установки, Qп - необходимая энергия для перемешивания биомассы.
Принято считать, что биогазовые установки вырабатывают биогаз в течение 350 дней ежегодно, еще 15 дней отводится на их профилактическое обслуживание.
Расчет экономии условного топлива за счет выработанного биогаза осуществляется по формуле:
Э = Фб · 350/29,3,
где Фб – выработка биогазовым оборудованием полезной энергии, МДж.
Сравнение экономических параметров биогазовых установок мезофильного и термофильного типа
Сравним капитальные и эксплуатационные расходы, а также затраты на техническое обслуживание наиболее распространенных моделейбиогазовых установок мезофильного и термофильного типа:
Таблица 1
| Категория | Биогазовые установки мезофильного типа (рассчитаны на стадо из 4 коров) | Биогазовые установки термофильного типа (рассчитаны на стадо из 5 коров) |
| Объем, м3 | 6 | 6 |
| Капитальные затраты в $USD на 1 м3 | 110 | 380 |
| Общие капитальные затраты в $USD | 660 | 2280 |
| Затраты на обслуживание и эксплуатацию в год в $USD | 7,10 | 45,80 |
| Параметры удельной ежесуточной выработки биогаза, м3 | 0,55 | 6,00 |
| Параметры суточной выработки биогаза, м3 | 3,3 | 36 |
| Параметры теплоемкости биогаза, МДж/м3 | 22,5 | 22,5 |
| Параметры производительности установки, кВт | 0,856 | 9,360 |
| Параметры ежесуточной выработки энергии, кВт/ч | 20,3 | 226,0 |
| Показатели годовой выработки биогаза, м3 | 1155 | 12600 |
| Годовая выработка теплоэнергии, кВт/ч | 7105 | 79100 |
Как видно из данных таблицы 1, капитальные затраты на строительство биогазовой установки термофильного типа почти в 4 раза выше, чем затраты на создание аналогичной установки мезофильного типа.
Затраты на обслуживание и эксплуатацию биогазовой установки термофильного типа почти в 6 раз выше, чем аналогичные затраты на установку мезофильного типа.
Однако годовая выработка теплоэнергии термофильных установок более чем в 10 раз превышает аналогичный показатель функционирования мезофильного оборудования.
Выработка теплоэнергии на 1 рубль капитальных затрат составляет для биогазовой установки мезофильного типа значение, равное: 7105/660 = 10,77.
Выработка теплоэнергии на 1 рубль капитальных затрат составляет для биогазовой установки термофильного типа значение, равное: 79100/2280 = 34,69.
Таким образом, относительный показатель энергоотдачи малой биогазовой установки термофильного типа в 3,22 раза выше аналогичного показателя для установки мезофильного типа.