Підвищення енергоефективності очистки стоків тваринницьких ферм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовий проект

з дисципліни: Виробництво і промислові технології

на тему: Підвищення енергоефективності очистки стоків тваринницьких ферм

Вступ

Постійно зростаюча тваринницька промисловість країни призвела до проблеми утилізації стоків. Поблизу тваринницьких комплексів особливу загрозу навколишньому середовищі становлять скупчення навозу, а також нітратне й мікробне забруднення землі, поверхневих і підземних вод. Забруднення ґрунтів, сніжного покриву й вод місцевого стоку тягне за собою відповідні зміни показників якості кормових культур на сільськогосподарських угіддях, що примикають до тваринницьких ферм.

При стійловому триманні худоби накопичуються великі маси навозу, через його недосконалу утилізацію у водні системи виносяться чималі кількості грубо дисперсної малоразкладенної органіки й біогенних речовин, а тому існує потреба в їх ефективній утилізації. Сучасні методи, до яких відноситься анаеробне бродіння дозволяють не тільки очистити стічні води, але також отримати високоякісні добрива та електроенергію від спалювання біогазу.

1. Аналітична частина

1.1 Методи обробки стічних вод тваринницьких ферм

1.1.1 Анаеробні процеси

Анаероби - організми, які отримують енергію при відсутності доступу кисню шляхом субстратного фосфорилювання, кінцеві продукти неповного окислення субстрату при цьому можуть бути окислені з отриманням більшої кількості енергії у вигляді АТФ в присутності кінцевого акцептора протонів організмами, що здійснюють окисне фосфорилювання. Анаероби - велика група організмів, як мікро-, так і макрорівня:

- анаеробні мікроорганізми - велика група прокаріотів та деякі прості;

- макроорганізми - гриби, водорості, рослини і деякі тварини (клас фораминефери, більшість гельмінтів.

На першому етапі анаеробного бродіння органічних речовин шляхом біохімічного розщеплення (гідролізу) спочатку відбувається розкладання високомолекулярних сполук (вуглеводів, жирів, білкових речовин) на низькомолекулярні з'єднання. Жир - високомолекулярні жирні кислоти, глицероль.Білок - амінокислоти, низькомолекулярні лептиди. Полісахариди - моносохариди, дисахариди. На другому етапі за участю кислото-утворюючих бактерій - (летючі жирні кислоти, спирт, альдегіди, кетони, аміак, вуглекислий газ, водень, вода) відбувається подальше розкладання з утворенням органічних кислот та їх солей, а також спиртів, СО2 і Н2, а потім Н2S і NH3. Остаточне перетворення органічних речовин в СО2, СН4 здійснюється на третьому етапі процесу (метанове бродіння). Крім того, з СО2 і Н2, утворюється надалі додаткова кількість СН4 і Н2О.Ці реакції відбуваються одночасно, причому утворюючі бактерії вимагають до умов свого існування куди більш високі вимоги, ніж кислото-утворюючі. Так наприклад потребують абсолютно анаеробного середовищі і вимагають більш тривалого часу для розмноження. Швидкість і маштаби анаеробного бродіння утворюючих бактерій залежать від їх метаболічної активності. Метаболічна активність та репродуктивна здатність мікроорганізмів знаходяться в функціональної залежності від температури. Таким чином, температура впливає на обсяг газу, який можна отримати з певної кількості органічної речовини протягом заданого часу, а також на технологічну тривалість процесу бродіння, необхідного для вивільнення при відповідній температурі певної кількості газу. Відомі дві температурні межі (близько 33 С⁰ і 52 С⁰), яким відповідають найвищі значення метаболічної активності.

Переривчасте протікання функції пояснюється заміною мезофильного штаму бактерій на термофільний. Однак, відповідно до новітніх досліджень, такої преривності не існує, а це означае, що з підвищенням температури приблизно до 52С умови для утворення газу поліпшуються. Мікробіологічна активність майже припиняється, якщо температура падає до 15^оС. До перепадів температури, особливо до її раптових понижень, мікроорганізми особливо чутливі і реагують на це зниженням метаболічної активності і здатності до відтворення. Крім того, температура впливає на якість газу. Так, при зростанні температури знижується частка СН₄ в загальному обсязі виділяемих газів. Через те що метаболічна активність і рівень відтворення метанових бактерій нижче ніж кислото-утворюючих, при наростании кількості органічних речовин, що утворюються, може вийти надлишок летючих кислот, який зменшує активність метанових бактерій, як тільки значення рН спуститься нижче 6,5. Зазвичай величина рН завдяки буферним властивостям субстрату при нерівномірному утворенні кислот підтримується на постійному рівні. Ці властивості виявляються шляхом утворення карбонатів у кількостях, що перевищують кількість СО₂, який виділився при бродінні.

В якості оптимальних значень можуть бути названі:

- Лужність 1500…5000 мг на СаСО₃ на 1л субстрату;

- рН 6,5…7,5;

- вміст летючих кислот 600…1500 мг на 1л субстрату.

Ознаки порушення процесу анаеробного зброджування:

- зниження лужності;

- приріст вмісту летючих кислот;

- приріст долі СО₂ в газі який виділяется;

- зниження виходу газу.

Інгібітори анаеробного процесу.

До речовин, які у великий концетрації перешкоджають життєдіяльності мікроорганізмів, відносять насамперед важкі метали та їх солі, лужні метали, лужноземельні метали, аміак, нітрати, сульфіди, детергенти, органічні розчинники, антибіотики.

ГДК концентрацій речовин, які зупиняють метанове бродіння, мг на 1 л. субстрату:

- Мідь - 10;

- Кальцій - 8000;

- Натрій - 8000;

- Калій -3000;

- Магній - 3000;

- Аміак - 1500;

- Сульфіди - 200;

- Нітрати - 50.

Детергенти, антибіотики та органічні розчинники навіть в малій кількості зупиняють процесс бродіння.

Живильне середовище.

Передумовою без перебійного розмноження бактерій є наявність живильного середовища, яке містить як вуглець і кисень для забезпечення цього процесу енергіею, так і водень, азот, кальцій, фосфор - для утворення білка, а також лужні метали, залізо і мікроелементи. При цьому активність мікробної реакції в значній мірі визначається відношенням вуглецю до азоту: найбільш сприятливим умовам відповідають значеня від 10 до 16. Якщо у вихідному субстраті вуглеводів більше, ніж білкових речовин, то утворюється мало амонійного азоту, внаслідок чого виділяється менше СН₄ і більше Н₂ і СО₂, що веде до збільшення виходу кислот, зниженню рН і тим самим до подальшого зменшення інтенсивності метанового бродіння. З іншого боку, надлишок білків і амінокислот обумовлює зростання рН до 8, що також призводить до загасання процесу утворення.

Вміст газу.

Кількість і склад газу, який утворюється в результаті повного розкладання органічної речовини, залежить від співвідношення C:H:O:N в матеріалі і від температури процесу бродіння. З найважливіших сполук, що входять до складу органічної речовини, найбільший вихід газу з високим вмістом СН₄ обумовлюють жири, білкові речовини - трохи менший, але теж з високим умістом СН₄, і вуглеводи - відносно малу кількість, з найменшим вмістом СН₄. Середній склад газу, який можна отримати з екскрементів тварин при оптимальній температурі бродіння 34C⁹ відповідає:

СН₄ / СО₂ = 2

Концентрація твердих речовин.

Передумовою високої інтенсивності реакції слугує безперешкодний обмін речовин на граничних поверхнях фаз, який повинен підтримуватися безперервним оновленням цих поверхонь шляхом перемішування субстрату. Однак це можна забезпечити тільки в тому випадку, якщо в'язкість субстрату допускає свободу переміщення рідини, суспендованих твердих частинок, особливо бактерій, і бульбашок газу. Верхня межа концентрації твердих частинок, при якій ще можливе вільне переміщення фаз, для субстрату з дрібнодисперсної суспензії твердих речовин відповідає 10-12%. При великих значеннях вихід газу значно зменшується. Шляхом інтенсивного переміщування і відповідного підведення енергії небажаний ефект можна суттєво обмежити.

1.1.2 Біогазові установки

Спосіб отримання біогазу відомий давно: біогаз утворюється в процесі зброджування відходів органічного походження без доступу кисню. Однак технологія та апаратні засоби постійно удосконалюються з метою більш ефективної переробки органічних відходів в рідкий шлам з підвищеним виходом біогазу. Залежно від вихідної сировини шлам може бути використаний в якості готового до застосування добрива (переробка гною, посліду) або високоефективних кормових додатків (переробка відходів харчових виробництв).

Установки для виробництва біогазу є сучасними комплексними реакторами, що працюють з високою ефективністю і з дуже низькими витратами. Як правило, біогазові установки будуються на базі тваринницьких комплексів, птахофабрик і підприємств з переробки сільськогосподарської продукції.

Вони призначені для переробки різних відходів сільськогосподарського виробництва та харчової промисловості і слугують для:

1. утилізації відходів і поліпшення екологічної обстановки в зонах виробництва сільгосппродуктів та їх переробки;

2. отримання енергетичних ресурсів (біогаз, електрика, теплова енергія);

3. отримання екологічно чистих органічних добрив.

Фактично, біогазові установки скорочують цикл кругообігу речовин і енергії з декількох років до декількох тижнів; збирають метан, який виділяється в процесі бродіння.

1.1.3 Типи біогазових установок

1. Біогазова установка з ручним завантаженням без перемішування і без підігріву сировини в реакторі:

Найпростіша біогазова установка призначена для невеликих фермерських господарств. Об'єм реактора установки від 1 до 10 м³ розрахований на переробку 50 - 200 кг навозу за добу. Установка містить мінімум складових частин для забезпечення процесу переробки навозу і отриманню біодобрив і біогазу: реактор, бункер завантаження свіжої сировини, пристрій відбору і використання біогазу, пристрій вивантаження збродженої сировини.

Рисунок 1. - Біогазова установка з ручним завантаженням без перемішування і без підігріву сировини в реакторі:

Біогазова установка може бути використана в південних районах без підігріву і перемішування, і призначена для роботи в температурному режимі від 5°С до 20°С. Вироблюваний біогаз відразу направляється на використання в побутових приладах.

Перероблена маса видаляється з реактора через розвантажувальну трубу в момент завантаження чергової порції сировини або за рахунок тиску біогазу в реакторі установки. Розвантажена маса потрапляє в ємність для тимчасового зберігання, яка за обсягом повинна бути не менше обсягу реактора.

Біогазова установка з ручним завантаженням і перемішуванням сировини:

Данна біогазові установка призначена для невеликих фермерських господарств. Об'єм реактора установки від 1 до 10 м³ розрахований на переробку 50 - 200 кг навозу за добу.

Для підвищення ефективності роботи біогазової установки - змонтовано пристрій ручного перемішування сировини.

Рисунок 2. - Біогазова установка з ручним завантаженням і перемішуванням сировини:

3. Біогазова установка з ручним завантаженням, перемішуванням і підігрівом сировини в реакторі.

Рисунок 3. - Біогазова установка з ручним завантаженням, перемішуванням і підігрівом сировини в реакторі:

Для більш інтенсивного і стабільного процесу бродіння встановлена система підігріву реактора. Установка може працювати в мезофільному і термофільному режимах. Реактор біогазової установки підігрівається за допомогою водогрійного котла, що працює на виробленому біогазі. Решта біогазу використовується безпосередньо в побутових приладах. Перероблену сировину зберігають у спеціальній ємності до часу внесення в ґрунт.

4. Біогазова установка з ручним завантаженням, газгольдером, пневматичним перемішуванням сировини, з підігрівом сировини в реакторі:

Рисунок 4. - Біогазова установка з ручним завантаженням, газгольдером, пневматичним перемішуванням сировини, з підігрівом сировини в реакторі:

Проста установка з ручним завантаженням сировини в реактор оснащена автоматичним відкачуванням біогазу, що виробляється, і газгольдером для його зберігання.

Перемішування сировини в реакторі проводиться пневматичним способом з використанням біогазу. Така біогазова установка може працювати у всіх температурних режимах бродіння.

5. Біогазова установка з газгольдером, ручною підготовкою і пневматичним завантаженням і перемішуванням сировини, з підігрівом сировини в реакторі.

Рисунок 5. - Біогазова установка з газгольдером, ручною підготовкою і пневматичним завантаженням і перемішуванням сировини, з підігрівом сировини в реакторі:

Установка призначена для малих і середніх фермерских угідь можливістю переробки від 0,3 до 1,5 тонн сировини на добу. Обсяги реакторів - від 5 до 25 м³.

Завантаження і перемішування сировини механізовані і здійснюється за допомогою пневматичної системи. Підігрів сировини в реакторі біогазової установки проводиться теплообмінником з водонагрівальним котлом, що працюють на біогазі. Трубопровід вивантаження сировини має розгалуження для збору біодобрив в сховище і для завантаження в транспортні засоби для вивозу на поля.

Улаштування цієї біогазової установки передбачає ручну підготовку і пневматичне завантаження сировини в реактор, частина виробленого біогазу використовується для підігріву сировини в реакторі. Перемішування проводиться біогазом. Відбір біогазу проводиться автоматично. Біогаз зберігається в газгольдері. Установка може працювати в будь-якому температурному режимі бродіння сировини.

6. Біогазова установка з газгольдером, механічної підготовкою, пневматичним завантаженням і перемішуванням сировини, з підігрівом сировини в реакторі:

Рисунок 6. - Біогазова установка з газгольдером, механічної підготовкою, пневматичним завантаженням і перемішуванням сировини, з підігрівом сировини в реакторі:

Відмінною особливістю цієї біогазової установки, призначеної для середніх і великих селянських господарств, є наявність спеціальних ємностей для підготовки сировини, звідки вона подається за допомогою компресора в бункер завантаження, а потім за допомогою стисненого біогазу - в реактор установки.

Для роботи системи обігріву використовується частина виробленого біогазу. Установка оснащена автоматичним відбором біогазу і газгольдером для його зберігання.

Наявність системи обігріву дозволяє експлуатувати біогазову установку у всіх режимах бродіння.

1.1.4 Види біогазових реакторів

Головною частиною біогозових установок є біогазовий реактор. Існує багато видів біогазових реакторів. Нижче наведені найбільш поширені.

Біогазовий реактор з лопатевим перемішувачем містить резервуар 1, який зверху накритий каркасом теплиці 8 (рис. 7). Всередині резервуара 1 розміщений лопатевий перемішувач 9, що служить для перемішування біомаси. На валу 2 перемішувача закріплений підігрівач біомаси 3. Над перемішувачем змонтована захисна газорозподільна решітка 7, над якою влаштований штуцер відведення біогазу до труби споживача 4. Під перемішувачем розміщене дно 10, яке шарнірно прикріплене до корпусу 1 з можливістю опускання вниз. Наверху конструкції міститься бункер завантаження біомаси 5 з шиберною засувкою 6.

Рисунок 7. - Біогазовий реактор з лопатевим перемішувачем:

Біогазовий реактор працює за таким принципом - біомаса завантажується через бункер завантаження біомаси 5 та рухається всередину конструкції крізь шиберну засувку 6 у резервуар. На підігрівачі біомаси 3 суміш нагрівається та за допомогою лопатевих перемішувачів 9 змішується та рівномірно прогрівається. З резервуара утворений біогаз, рухаючись через захисну газорозподільну решітку 7, виходить через штуцер відведення біогазу до труби споживача 4. Дно 10 опускається вниз і біодобриво видаляється.

Шнековий перемішувач надає біогазовому реактору більшої продуктивності за рахунок рівномірності прогріву. Пристрій містить резервуар 1, який зверху накритий каркасом теплиці 8. Всередині резервуара 1 розміщений шнековий перемішувач 9, що служить для перемішування біомаси. Всередині валу 2 перемішувача закріплений підігрівач 3. Над перемішувачем змонтована захисна газорозподільна решітка 7, над якою влаштований штуцер відведення біогазу до труби споживача 4. Під перемішувачем змонтовано шарнірно прикріплене до корпусу дно 10, з можливістю опускання вниз.

Наверху конструкції міститься бункер завантаження 5 з шиберною засувкою 6.

Біореактор працює таким чином. Біомаса завантажується через бункер завантаження 5 та рухається всередину конструкції крізь шиберну засувку 6 у резервуар 1. Завдяки підігрівачу 3 біомаси суміш нагрівається та за допомогою шнекового перемішувача 9 змішується й рівномірно прогрівається. З резервуара утворений біогаз, рухаючись через захисну та газорозподільну решітку 7, виходить через штуцер відведення біогазу до труби споживача 4. Дно 10 опускається вниз і біодобриво видаляється.

Біогазова установка з вертикальною пропелерною мішалкою з покращеним процесом перемішування суміші збільшує виробництво біогазу з одиниці ваги біомаси.

Біореактор містить резервуар 1, який зверху накритий каркасом теплиці 8. Усередині резервуара на валу 2 розміщена вертикальна пропелерна мішалка 9, що служить для перемішування біомаси. В середині валу встановлений підігрівач біомаси 3. Над вертикальною мішалкою змонтована захисна газорозподільна решітка 7, над якою влаштований штуцер відведення біогазу до труби споживача 4.

Рисунок 8. - Біогазовий реактор з вертикальною пропелерною мішалкою:

Під вертикальною мішалкою розміщений опорний елемент з отворами для проходження відпрацьованої маси 11 та дно 10, яке шарнірно прикріплене до корпусу з можливістю опускання вниз. Наверху конструкції міститься бункер завантаження 5 з шиберною засувкою 6.

Інтенсифікація процесу анаеробного бродіння в біогазовій установці є досить ефективною з використанням різноманітних перемішувальних пристроїв. Введення в конструкцію біогазової установки перемішувача приводить до зростання її ефективності.

1.1.5 Методи підвищення енергоефективності БГУ

Сучасна біогазова установка - це комплекс пристроїв, пов'язаних між собою гідравлічними, механічними, електричними та інформаційними зв'язками. В час високих технологій управління виробленням біогазу повинно бути максимально комп'ютеризованим та автоматизованим, щоб забезпечити максимальний ККД. Досягти високої продуктивності БГУ можливо при комплексному поєднанні всіх інноваційних рішень. Запропоновано принципову енергозберігаючу технологічну схему з виробництва біогазу з теплообмінником та тепловим насосом, які втілюють всі попередні рекомендації. Згідно з технологічною схемою біогазова установка працює таким чином. По накопиченні в резервуарі 15 органічних відходів вони фекальним насосом 14 відкачуються в трубопровід і подаються у верхню частину реактора 1. В реакторі суміш перемішується і зволожується до необхідної концентрації сухої речовини. В процесі транспортування відпрацьований субстрат і свіжа органічна маса обмінюються теплом в теплообміннику 13. При цьому відпрацьований шлам втрачає тепло, а свіжа маса нагрівається. Підігрів субстрату здійснює теплообмінник 3, що знаходиться в реакторі. Регуляція потужності теплообмінника виконується за допомогою змішувальної установки, до якої входить триходовий клапан з сервоприводом 10 та циркуляційний насос 16. Температура біогазу та його тиск контролюються манометром і термометром, що розміщені в кришці реактора.

Рисунок 9. - Технологічна схема вироблення біогазу з рекуперативним теплообмінником:

Рисунок 10. - Технологічна схема вироблення біогазу з тепловим насосом:

Поступово накопичений біогаз випускають у пристрої видалення сірки 5, видалення вуглекислого газу - 6, та збирають у газгольдері 7. З газгольдера 7 газ направляють трубопроводом 9 на потреби самої БГУ, а трубопроводом 8 - на потреби господарства.

Відпрацьований шлам має високий запас теплової енергії, яка зазвичай розсіюється в атмосферу. Влітку різниця температур між органічною масою, що надходить в реактор, і тою, що його покидає, досягає D = 20 °С. Взимку ця різниця досить значна і може становити D = 40…50 °С. Для максимально повної утилізації тепла рекомендується використовувати тепловий насос, який дозволить знизити витрати тепла на нагрівання вхідної сировини в декілька разів. Схема роботи БГУ з утилізатором тепла - тепловим насосом зображена на рис. 10.

Принцип роботи даної технологічної схеми аналогічний попередній. Але вона є ще енергоощаднішою за рахунок встановлення додаткового фекального насоса для видалення шламу та теплового насоса 13 для більш глибокої рекуперації тепла.

1.1.6 Проблема рентабельності біогазової установки

Головною проблемою є рентабельність біогазових установок, яка пропорційна витратам енергії на обігрівання реактора. Мікробіологічні особливості протікання процесу анаеробного бродіння вимагають дотримання меж температурних режимів і температурної стабілізації, рівномірного прогріву середовища, відсутності зон переохолодження і перегріву.

Щоб отримати необхідну для процесу бродіння температуру і по можливості підтримувати її на сталому рівні, варто перш за все підігріти до необхідної температури субстрат, який подається в реактор. Додаткове підведення теплоти необхідне для компенсації теплових втрат. Теплоту можна підводити до субстрату в робочому середовищі реактора або в пристрої, який його підживлює. Оскільки перепади температури негативно впливають на хід біологічного процесу анаеробного бродіння, необхідно по можливості поєднувати підведення теплоти до реактора з інтенсивним перемішуванням субстрату. Крім того, в системі підведення теплоти необхідно передбачати, щоб на поверхнях теплопередачі не відкладалися тверді частинки субстрату. Тому рекомендовані, наприклад, високі швидкості руху субстрату відносно поверхонь теплопередачі або поверхні, які легко очищуються. На роботу теплообмінника не повинна впливати присутність в субстраті твердих матеріалів (наприклад, стебел соломи, пір'я, шерсті).

Для невеликих реакторів як пристрої перемішування використовуються теплообмінні нагрівні агрегати (наприклад, гнучкі неметалеві трубопроводи, циліндричні або плоскі теплообмінники), через які проходить гаряча вода і які можна виймати із реактора при його очищенні. Нагрівачі, вбудовані в стінки реактора, доцільно застосовувати з точки зору їх коефіцієнта корисної дії лише в тому випадку, коли вони можуть передавати теплоту до субстрату з обох сторін стінки так, як це відбувається в двокамерному реакторі з внутрішньою перегородкою. Крім того, підігрівання субстрату можна здійснювати безпосередньо, подаючи в нього гарячу воду або пару. Оскільки вода служить одночасно для розбавлення і турбулізації субстрату, який при завантаженні містить велику кількість твердих частинок, цей метод може виявитись ефективним . Підігрівання субстрату шляхом введення пари під тиском призводить до підвищення вмісту вологи в біогазі, для усунення якої при підготовці газу до використання необхідні додаткові заходи. У великих установках, особливо в комунальних установках для очищення стічних вод, цим недоліком нехтують, зважаючи на більш високий енергетичний коефіцієнт корисної дії теплопередачі.

Рівномірну передачу теплоти до субстрату можна забезпечити за допомогою теплообмінників, розташованих поза реактором. Проте їх слід використовувати лише в поєднанні з системою вимушеної циркуляції субстрату, що спричиняє відповідне підвищення витрат енергії, але дозволяє надійно регулювати температуру бродіння. Ця система підігрівання має переваги завдяки одночасному підігріву та перемішуванню свіжого та циркулюючого субстрату. Різниця між температурами субстрату, який надходить в реактор та тим, що там знаходиться, буде незначною. До того ж, надійно підтримується швидкість переміщення субстрату, яка є необхідною для запобігання випадіння твердого осаду на поверхнях теплообмінника. Розташування теплообмінників поза межами реактора значно полегшує доступ до них для обслуговування та ремонту.

Постійне рівномірне розподілення та переміщення рідини і твердих речовин, які містяться в ній та різняться за розміром, формою та щільністю, є передумовою безперешкодного та ефективного протікання процесу бродіння.

У бродильних камерах необхідно проводити стрімке перемішування для попередження виникнення у верхній частині реактора спливаючої речовини. Це значно прискорює процес бродіння і вихід біогазу. Без перемішування для отримання такої ж продуктивності об'єм реактора повинен бути значно збільшений.

Перемішування здійснюється:

- механічними мішалками різної форми або насосами з приводом від електродвигуна;

- гідравлічними насадками за рахунок енергії струменя, перекачуваного насосом зароджуваного гною або рециркуляцією;

- надмірним тиском біогазу, що пропускається через барботер або трубку, розташовану в нижній частині реактора.

При застосуванні обертових перемішувальних пристроїв висуваються високі вимоги до форми реактора, оскільки він повинен забезпечувати необхідні умови для зменшення утворення осаду і плаваючої кірки. Швидкість переміщення, що потрібна для інтенсивного перемішування субстрату, визначається умовами турбулентності в усіх зонах реактора. Тому такі мішалки можуть ефективно використовуватись лише в невеликих реакторах при дії на важкі субстрати. Для субстратів малої в'язкості, що містять мало речовин, схильних до осадження чи утворення плаваючої кірки, механічні перемішувальні пристрої є більш ефективними і у відносно великих реакторах.

У великих реакторах, особливо циліндричної форми, субстрат можливо перемішувати гідравлічним способом, тобто за допомогою струменя рідини. В численних біогазових установках, збудованих в Федеративній Республіці Німеччині 20 років тому, добре зарекомендувала себе система з рухомим соплом. При горизонтальному направленні сопла, яке обертається навколо осі реактора та може переміщуватись вздовж неї, струмінь рідини потрапляє в усі зони робочого простору реактора. Гідравлічні системи з нерухомим соплом вимагають, навпаки, ретельного підбору згідно з розмірами і формою реактора, щоб забезпечувати достатнє перемішування субстрату в усіх зонах реактора.

Високу якість перемішування можна отримати, нагнітаючи отриманий в результаті бродіння газ в рідкий субстрат. Проте при цьому субстрат не повинен мати високу в'язкість та схильність до утворення плаваючої кірки. В іншому випадку слід безперервно видаляти частинки, які спливають, або відокремлювати великі частинки твердого матеріалу від субстрату перед завантаженням його в реактор.

Структурну схему шляхів інтенсифікації теплового процесу анаеробного бродіння субстрату в біогазових установках наведено на рисунку.

Перспективними шляхами вдосконалення устаткування для інтенсифікації процесу анаеробного бродіння субстрату в біогазових установках з метою збільшення виходу біогазу та зменшення часу перебування субстрату в установці є механічне перемішування. Одним із напрямків інтенсифікації та зменшення енерговитрат на виробництво біогазу є також зменшення тепловтрат через захисні конструкції корпуса установки.

Рисунок 11. - Шляхи інтенсифікації теплового процесу анаеробного бродіння субстрату:

1.1.7 Інновації у галузі енергозбереження при використанні БГУ

У наш час з'явився ряд інновацій у галузі енергозбереження зокрема очищення стоків тваринницьких ферм, одним із напрямків є повна автоматизація біогазових установок, для підвищення ККД та більшого енергозбереження. Для процесів анаеробного бродіння виділяють три температурних режими, дотримання в межах яких є необхідною умовою безперебійного вироблення біогазу і життєдіяльності метан утворювальних бактерій. Також до обмежувальних умов належить максимальна температура нагрівального елемента, яка не може перевищувати 60°С. Нагрівання субстрату відбувається за рахунок передачі тепла води, що протікає через нагрівальний елемент. Вода гріється в котлі за рахунок спалювання виробленого біогазу. При обертанні пластини активатора відбувається активне перемішування субстрату, вирівнювання полів температур, інтенсифікація теплообміну між нагрівником і субстратом. Для зменшення енерговитрат і збільшення виходу біогазу необхідно контролювати і регулювати такі величини: температуру поверхні нагрівального елемента; температуру субстрату в трьох шарах - верхньому, середньому і нижньому; швидкість вібрування пластини-активатора чи обертання мішалки. Для контролю і управління параметрами анаеробного бродіння в біореакторі пропонується така схема управління. Управління за даною схемою можливе в реакторі з інтенсифікацією теплообміну. Температура субстрату відслідковується сенсорами t₂, t₃, t₄, температура поверхні нагрівника - сенсором t₁. За даними сенсора t₁ сервопривод триходового клапана на подачі теплоносія на нагрівник регулює ступінь підмішування зворотного теплоносія.

За показами всіх температурних сенсорів згідно із закладеною програмою в ЕОМ відбувається управління двигуном - збурювачем перемішувань субстрату за допомогою частотного регулятора. Кількість обертів двигуна відслідковується тахометром. Для передачі інформації в ЕОМ від датчиків і тахометра слугують пристрої спряження ПС1…ПС3. Для передачі сигналів керування від ЕОМ до сервопривода і частотного регулятора слугують пристрої спряження ПС4…ПС5.

Для інтенсифікації теплообміну вибрано спосіб вібрації середовища, що в окремих випадках дозволяє збільшити тепловіддачу у десятки разів. Вібрація чи перемішування середовища або нагрівального елемента приводить до активного перемішування середовища, вирівнювання температури в об'ємі, інтенсифікації теплообміну. Це в кінцевому випадку приводить до зменшення площ теплообміну, покращення протікання технологічних процесів та енергозбереження.

Рисунок 12. - Схема автоматичного управління параметрами реактора для анаеробного бродіння:

ЕОМ - контролер (мікрокомп'ютер), БЖ - блок живлення, t₁, t₂, t₃, t₄ - сенсори температури, ПС1…ПС5 - пристрої спряження.

За показами всіх температурних сенсорів згідно з закладеною програмою в стаціонарному комп'ютері відбувається управління двигуном - збурювачем перемішувань субстрату за допомогою частотного регулятора. Кількість обертів двигуна відслідковується тахометром. Для передачі інформації в ЕОМ від датчиків і тахометра слугують пристрої спряження ПС1…ПС3. Для передачі сигналів керування від ЕОМ до сервопривода і частотного регулятора слугують пристрої спряження ПС4-ПС5.

Від мікрокомп'ютера (контролера) оброблена інформація направляється на стаціонарний комп'ютер, в якому за допомогою спеціально розробленої програми вона подається у графічному вигляді і записується у текстовий файл. Алгоритм програми автоматичного моніторингу роботи БГУ реалізований на мові програмування Object Pascal з використанням IDE Delphi 7. В головному вікні 1 будуються графіки залежності температур і кількості обертів вала двигуна від часу дослідження. На інформаційній панелі 2 у відповідних комірках динамічно фіксуються дані параметрів у вигляді числових значень.

Кнопки 3 - “R”,“P”, “S” відповідно: початок зчитування даних, пауза і стоп - зупинення роботи.

У вікнах 4 і 5 відбувається налагодження роботи програми і роботи COM порта:

- інтервал таймера (1-20 сек, з інтервалом 0,1 сек);

- режим роботи програми (безперервно, дискретно);

- мінімальні значення відображення для всіх параметрів;

- максимальні значення відображення для всіх параметрів.

Параметри настроювання СОМ порту:

- номер порту;

- швидкість передачі/прийому даних;

- кількість біт інформації;

- тип контролю достовірності інформації;

- кількість стоп-біт.

Всі пристрої спряження конструктивно виконано у вигляді мікрокомп'ютера. Мікрокомп'ютер виконано на базі кристалічного контролера.

Програма дозволяє записувати дані з інтервалом в 1 секунду у текстовий файл, який потім можна прочитати у табличному редакторі. Запис даних ведеться у форматі: дата, час, кількість обертів валу двигуна, температура першого датчика, температура другого датчика, температура третього датчика, усереднена температура датчиків, що розміщені в нагрівальному елементі.

Рисунок 13. - Робочі вікна програми оброблення та збору даних від експериментальної установки:

Рисунок 14. - Загальний вигляд експериментального контролера:

Рисунок 15. - Структурно-логічні схеми програми обробки та збору даних від БГУ:

Рисунок 16. - Загальний вигляд файлу звіту роботи системи термостабілізації та інтенсифікації БГУ:

Згідно з рівняння, що узагальнює відносний коефіцієнт тепловіддачі через розмірні величини, апроксимується виразом:



Де:

К - коефіцієнт інтенсифікації, що є відношенням коефіцієнта тепловіддачі віброконвекції до коефіцієнта тепловіддачі при вільній конвекції;

d - діаметр циліндра теплонагрівального елемента, мм;

ДФ - різниця між температурою стінки нагрівника і середовищем С;

ДА - амплітуда коливань нагрівального елемента, мм;

f - частота коливань нагрівального елемента, Гц.

В промисловості система автоматизованого контролю за роботою БГУ виготовляється в вигляді шафи з набором елементів для роботи установки: контролера, частотних перетворювачів, автоматичних вимикачів тощо.

Рисунок 17. - Вигляд шафи з набором елементів для роботи установки:

Сучасна ситуація змусила нас звернути увагу на альтернативні джерела отримання енергії. Технології отримання біогазу набули широкого застосування в сфері очисти стоків тваринницьких ферм. Новітні технології в конструюванні, застосуванні більш дешевих і практичних матеріалів, автоматизації дозволили зменшити не тільки ступінь очистки стоків ферм, але також дозволили збільшити вихід газу, знизили собівартість та пришвидшили термін окупності біогазових установок - що дозволило поширити їх застосування.

2. Спеціальна частина «Підвищення енергоефективності очистки стоків тваринницьких ферм»

2.1 Методика дослідження

2.1.1 Визначення виходу біогазу

Для навозу великої рогатої худоби виходу біогазу від тривалості бродіння. За допомогою програми Graph2Digit графік був цифрований та на основі результату побудовані графіки виходу біогазу за поточну добу за формулою:

Де:

q_і - вихід біогазу за поточну добу, мл/л;

Q_і - вихід біогазу на і-ту добу, мл/л;

T - тривалість циклу бродіння, діб.

2.1.2 Визначення добового виходу стічних вод

Визначення об'єму стічних вод для підприємства на 1325 голів рогатої худоби за формулою:

V_доб. = (V_д.к*N_д.к+V_к*N_к)*k

Де:

V_д.к - вихід сечі та екскрементів дійних корів. Приймається 50 кг/доб.;

V_к - вихід сечі та екскрементів інших корів. Приймається 45 кг/доб, кг/доб.;

N_д.к - кількість дійних корів, шт.;

N_к - кількість інших корів, шт.;

k - коефіцієнт вмісту інших сполук.

V_доб.=(550*50+775*45)*1.3=93000 кг/доб.

2.1.3 Визначення залежності об'єму реактора від тривалості циклу бродіння

Через те що стічна вода на 90% складається з води, її загальну густину можна прийняти рівною густині води. Об'єм реактора визначається за формулою:

Де:

V_доб. - добовий об'єм стічних вод, м³/добу;

Т_(і) - тривалість циклу бродіння (початкову тривалість циклу бродіння для мезофільного режиму рекомендовано приймати 10 діб., а для термофільного 5 діб;

k_р - поправочний коефіцієнт на резерв;

- 1000 кг/м³, густина води.

2.1.4 Визначення виходу біогазу в залежності від циклу бродіння і кількість енергії біогазу даного підприємства,Q_б(і)

Де:

Q_і - вихід біоґазу за і добу, л/м³;

Q_g - загальний вихід біоґазу до i циклу, м³;

і - тривалість циклу бродіння, діб.

Визначення енергії біоґазу, яка виробляється на протязі доби для кожного циклу:

Де:

- теплота згорання біоґазу (знаходиться в діапазоні 21…28 МДж/м³). Приймаємо 24 МДж/м³;

- ККД когенераційної газової турбіни.

2.1.5 Визначення енергетичних витрат на власні потреби, Н_e.в

Не.в =Нп + Нс + Нмех

Де:

Нп - втрати енергії на підігрівання субстрату до відповідної температурі бродіння, мДж;

Нс - втрати енергії у навколишнє середовище, мДж;

Нмех - витрати енергії на перемішування, мДж;

Визначення втрат енергії на підігрівання субстрату до відповідної температурі бродіння, МДж/доб., визначається по формулі:

Де:

T - тривалість циклу, діб.;

Vдоб. - об'єм стічних вод, м3/добу;

Сс - середнє значення теплоємності субстрату, МДж/(кг*К);

tз.б - температура завантаженої біомаси, приблизно 17 оС;

tб - температура процесу бродіння, для термофільного - 50…54 оС, для мезофільного 30…34 оС.

Визначення втрат енергії від метантенку у навколишнє середовище, МДж:

Де:

Ам - площа поверхні метантенку, м3;

k - коефіцієнт теплопередачі від субстрату у середовище ;

tо.с - середня температура навколишнього середовища, 8 оС.

Як правило, метантенки мають циліндричну форму. Приймаючи відношення висоти метантенка до його діаметра:

По значені V_р можливо визначити А_м.

А_м = S_бок + 2*S_осн

Де:

S_бок - площа бічної частини метантенку, м²;

S_осн - площа основи метантенку, м²;

Де:

d - внутрішній діаметр метантенку, м;

Діаметр метантенку визначається по формулі:

Коефіцієнту теплопередачі визначається по формулі:

Де:

а_в ,а_з - коефіцієнти теплообміну на внутрішній та зовнішній поверхнях метантенка;

- товщина стінки та шарів утеплення метантенку, м;

- коефіцієнти теплопровідності стінки та утеплювачів метантенку.

Приймаємо залізобетонний метантенк товщиною стінки 0,4 м, теплоізоляція виконана у вигляді шлакобетону (0,1 м.) та земляного валу (1 м).

2.5.3 Визначення витрати енергії на перемішування субстрату

Н_мех=q_норм*V_р*z*3.6

Де:

q_норм - навантаження на мішалку;

V_р - об'єм реактора, м³;

z - тривалість роботи мішалки на протязі доби (приблизно 8 год).

2.1.6 Визначення енергії товарного біогазу H_б(і) і коефіцієнту товарності, K_т.

Н_б.(і)=Н_б.г(і) - Н_е.в(і)

2.1.7 Техніко-економічні розрахунки

2.1.7.1 Визначення капітальних витрат, K

Де:

V_повн - повний об'єм реактора, м³;

V_р - робочий об'єм реактора, м³;

Z - ціна 1 м³ монолітного залізобетону;

W - потужність газової турбіни, кВт;

Z_k - ціна за 1 кВт, приймається за [6], 400$.

Повний об'єм реактора зі стінками (0.4 м).

V_полн= S_{осн.повн}*d_повн

Визначення потужності газової турбіни, W:



Визначення експлуатаційних витрат, С:

С=Z_п+Z_y+A+E_к

Де:

Е_к - витрати на електроенергію, грн.;

Z_n - заробітна плата, грн.;

Z_y - витрати на обслуговування, грн.;

A - амортизація.

Приймаємо відсоток амортизації 0.05.

Тоді:

A = V_з.б * 0.05

Визначення витрат на електроенергію, E_к:

Де:

Е_к - кошти на купівлю електроенергії, грн.

- 3.6 - 1 кВт/год. електроенергії. Перевідний коефієнт від МДж до кВт/год;

- 0.28 - ціна електроенегрію, грн.;

- 365 - днів у році, діб.

Визначення заробітної плати, Z:



Де:

Z_o - зарплата оператора, грн.;

Z_м - зарплата майстра, грн.;

Z_оп - відрахування на охорону праці, грн.;

Z_п.ф- відрахування до пенсійного фонду (0.38% від заробітної плати), грн.

Визначення витрат на обслуговування БГУ, Z_y, приймаємо 0.16:

Z_у =А * 0.16

2.1.8 Визначення прибутків та терміну окупності БГУ

Визначення прибутків від продажу біодобрива та біоґазу у мережу:

G_s = E_д + Е_г

Де:

E_д - прибуток від продажу біодобрив, грн;

Е_г - прибуток від продажу електроенергії, грн.

Визначення прибутку від продажу біодобрив, Е_д:

Де:

10 - кількість сухої речовини у шламі, %;

Z_біо - ціна 1 т шламу, грн.

Визначення очікуваного прибутку від БГУ з урахування інфляції, К_д:



Де 7.5% - коефіцієнт інфляції згідно НБУ.

Визначення приведених витрат, П:

П = С + Е_н * К

Де:

С - експлуатаційні витрати;

E_н - нормативний коефіцієнт ефективності;

К - капітальні затрати на будівництво.

Визначення терміну окупності, Т_о:

Де:

IC - первісні інвестиції, IC=К, грн.;

Р - очікуваний щорічний прибуток, що планується, P=G_s, грн.

2.2 Обговорення результатів

2.2.1 Дослідження залежності виходу біогазу від тривалості циклу бродіння

На базі даних розрахунків у пункті 2.1, результати наведені у додатку 1, було побудовано графіки залежності виходу біогазу від тривалості циклу бродіння, для термофільного та мезофільного. Для обох режимів максимальний вихід біогазу спостерігається на 14 добу, але вихід біогазу при термофільному режимі майже в двічі більший ніж при мезофільному.

2.2.2 Дослідження коефіцієнту товарності від тривалості циклу завантаження

Під коефіцієнтом товарності розуміють відношення енергії товарного біогазу до загальної енергії біогазу що виробляється).

Перетворення потенційної енергії біогазу в електричну, пропонується за допомогою газової турбіни з застосуванням принципу когенерації - використання тепла вторинних газів від турбіни для попереднього підігріву газової суміші. При цьому ККД установки може бути підвищено від 35% без використання когенерації, до 85%.

На базі цих даних побудовано графік залежності коефіцієнту товарності від тривалості циклу завантаження. Коефіцієнт товарності отриманий для мезофільного режима (15%), майже в тричі більший ніж для термофільного (5%).

Така різниця пояснюється тим, що у хоч у термофільному режимі більший вихід біогазу, але біогазова установка потребує більших експлуатаційних витрат енергії на власні потреби ніж при мезофільному.

Висновки

1. Залежність виходу біогазу від тривалості показали, що максимальний вихід біогазу спостерігається на чотирнадцяту добу, але при термофільному процесі максимальний вихід біогазу майже в двічі більший.

2. Для оцінки найбільш енергроефективного режиму було визначено коефіцієнт товарності від тривалості циклу завантаження, він показав, що мезофільний режим на 10% більш ефективний. Це пояснюється меншими витратами енергії на власні потреби установки, хоча максимальний вихід біогазу більший у термофільному. Оптимальна тривалість циклу мезофільний - 18 діб., термофільний 15.

3. Максимальний дохід з урахуванням інфляції від тривалості циклу завантаження показав більший максимальний дохід може бути досягнутий у мезофільному режимі. анаеробний біогазовий реактор

4. Результати розрахунків приведених витрат показали, що мезофільний режим має кращі вартісні показники.

5. Розрахунки термінів окупності проекту від тривалості циклу завантаження показали, що мезофільний процес має менший термін окупності через менші капітальні та експлуатаційні витрати.

6. На базі вище перерахованих даних оцінки економічної ефективності очистки стоків ферми ВРХ, можливо зробити висновок що найбільш ефективно очищати стоки у мезофільному режимі, через те що отриманий прибуток не тільки більший на 72 тис. грн. , але також і менший термін окупності проекту на 1.13 років.

Размещено на Allbest.ru

...