Газоснабжение сельскохозяйственных предприятий с использованием альтернативного источника энергии биогаза в замкнутом цикле обработки и утилизации отходов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ГАЗОСНАБЖЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ БИОГАЗА В ЗАМКНУТОМ ЦИКЛЕ ОБРАБОТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ

Кондауров Павел Петрович

Санкт-Петербург 2007

Работа выполнена на кафедре «Теплогазоснабжение» ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Мариненко Елена Егоровна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Аверьянов Владимир Константинович

кандидат технических наук, доцент Комина Галина Павловна

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита состоится на заседании диссертационного совета Д 212.223.06 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, ауд. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» (www.spbgasu.ru).

Ученый секретарь диссертационного совета В.В. Дерюгин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

биогазовый сельскохозяйственный замкнутый газоснабжение

Актуальность проблемы. В настоящее время в Российской Федерации насчитывается более 33 тыс. сельскохозяйственных предприятий, из них только 2 % снабжаются природным газом. Основной причиной этого является удаленность объектов от магистральных сетей газоснабжения. В связи с этим возникает необходимость поиска доступных альтернативных источников энергии, позволяющих вести эффективную хозяйственную деятельность.

В сельском хозяйстве ежегодно образуется более 250 млн. т твердых и жидких отходов, содержащих органику. Суммарный потенциальный выход биогаза, который может быть получен на сельскохозяйственных биогазовых установках, можно оценить в 6100 млн. м3/год, что эквивалентно 4820 тысяч тонн условного топлива.

Предприятия по выращиванию, откорму и содержанию животных являются основными источниками загрязнения окружающей среды в сельской местности, специфика которых заключается в преобладающем влиянии неорганизованных выбросов (пруды-отстойники, навозохранилища), выделяющих до 99,5% от общей массы вредных веществ, а также в нерегулярном характере процессов выделения и образования загрязняющих веществ.

Анаэробная обработка отходов животноводства в биогазовых установках (БГУ) позволяет достичь резкого снижения заражения окружающей среды болезнетворными микроорганизмами, исключения запаха, сопутствующего животноводческим производствам, уменьшения вредных выбросов в атмосферу. Одновременно с обеззараживанием отходов в процессе анаэробной ферментации образуется биогаз, использование которого на предприятии позволяет полностью или частично обеспечить потребности хозяйства в тепловой и электрической энергии, а также ценное органическое удобрение, реализация которого значительно снижает эксплуатационные затраты на БГУ.

Диссертационная работа выполнялась в рамках подпрограмм «Регулирование качества окружающей природной среды» и «Отходы» Федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России (2002 - 2010 годы)» (постановление Правительства РФ от 7.12.2001 г. №860).

Цель работы - совершенствование системы газоснабжения сельскохозяйственных предприятий путем привлечения нетрадиционного возобновляемого источника энергии биогаза и разработка системы его утилизации.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- аналитическое исследование целесообразности применения биогазовых технологий на животноводческих предприятиях;

- разработка системы газоснабжения сельскохозяйственного предприятия и замкнутого цикла по обработке и утилизации отходов животноводства с привлечением биогаза в качестве нетрадиционного возобновляемого источника энергии;

- сравнительный анализ основных способов сушки остатка анаэробной ферментации, позволяющих получить заданное качество продукта и обеспечивающих эффективное использование биогаза в зависимости от поголовья фермерского хозяйства;

- экспериментальные исследования по выявлению оптимальной конструкции газогорелочных устройств для сжигания биогаза, используемых в установках термической сушки сброженного субстрата;

- экспериментальные исследования способов подвода теплоты для интенсификации процесса сушки материала в кипящем слое, определение граничных условий существования псевдоожиженного слоя и разработка рекомендаций по определению основных конструктивных параметров установки термической сушки.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, моделирование изучаемых процессов и обработку экспериментальных данных методами математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована планированием необходимого объема экспериментов и подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- предложен коэффициент запаса тепловой энергии, с помощью которого рекомендуется оценивать целесообразность производства и использования биогаза в энергетических целях;

- предложен коэффициент экологического воздействия, характеризующий суммарное влияние оксида углерода и диоксида азота на окружающую среду;

- получены экспериментальные зависимости основных параметров псевдоожиженного слоя (скорость псевдоожижения частиц материала, максимальная удельная масса материала, гидравлическое сопротивление кипящего слоя).

Практическое значение работы:

- разработана система газоснабжения сельскохозяйственного предприятия и замкнутый цикл по обработке и утилизации отходов животноводства с привлечением биогаза в качестве нетрадиционного возобновляемого источника энергии;

- разработана установка термической сушки с псевдоожиженным слоем для обработки сброженного субстрата сельскохозяйственных БГУ;

- даны рекомендации по выбору газогорелочных устройств для сжигания биогаза в установках термической сушки сброженного субстрата и устройств стабилизации факела горения;

- разработаны рекомендации по определению оптимальных конструктивных параметров установки термической сушки остатка анаэробной ферментации с псевдоожиженным слоем.

Реализация результатов работы:

- материалы диссертационной работы использованы при проектировании установки термической сушки с кипящим слоем в СПК «Излучное», Дубовского района Ростовской области;

- система сушки отходов животноводства с использованием биогаза в качестве альтернативного источника энергии внедрена на базе экспериментальной площадки ООО Трест «Городищегазсервис», р.п. Городище Волгоградской области;

- материалы диссертационной работы использованы кафедрой ТГС ВолгГАСУ в курсах лекций и в дипломном проектировании при подготовке инженеров специальности 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на II, III, IV Международных научных конференциях «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» Волгоград 2003-2005; VIII, IX, X Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области «Архитектура, градостроительство, строительство и экологические проблемы», Волгоград 2003-2005; Ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, Волгоград 2005-2006.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 в журналах, рекомендуемых ВАК для публикации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы - 145 страниц, в том числе: 132 страницы - основной текст, содержащий 14 таблиц на 6 страницах, 37 рисунков на 16 страницах; список литературы из 148 наименований на 14 страницах; 4 приложения на 13 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Наиболее перспективным способом переработки жидких и твердых отходов сельского хозяйства является анаэробное сбраживание. Анаэробная обработка осуществляется в биогазовых установках с получением сопутствующих продуктов - биогаза и сброженного субстрата. Биогаз сельскохозяйственных БГУ в среднем содержит 55-75 % метана, 44-27 % диоксида углерода, 0-3 % азота, 0-1 % сероводорода, примеси водорода, аммиака и оксидов азота, что позволяет его использовать в качестве топлива.

Целесообразность производства и использования биогаза в энергетических целях рекомендуется оценивать по величине коэффициента запаса тепловой энергии, предложенного автором, характеризующего избыток энергии после погашения тепловых нагрузок всего хозяйства, включая теплопотребление биогазовой установки:

, (1)

Анализ показал, что устройство биогазовых установок в хозяйстве на 100 и более голов КРС даст ощутимый экономический и экологический эффект. При таком поголовье коэффициент запаса тепловой энергии превышает 12 %, что позволяет использовать ее излишек на нужды животноводческого предприятия. Установлено, что превышение расхода теплоты над энергетическим потенциалом получаемого биогаза наблюдается только для трех зимних месяцев, в остальных случаях получаемый биогаз полностью покрывает энергетические потребности животноводческого предприятия (рис. 1).

Автором предложена усовершенствованная схема системы газоснабжения сельскохозяйственного предприятия с использованием альтернативного источника энергии биогаза и цикл по обработке отходов производства (рис. 2). Отличительной особенностью предлагаемой схемы от известных аналогов является установка термической сушки, обеспечивающая круглогодичную утилизацию побочных продуктов анаэробной ферментации: сброженного субстрата и биогаза. Преимуществом предложенной схемы является малый объем газгольдера, так как большая часть биогаза сжигается в сушилке.

Рис. 1. График потребления теплоты комплексом КРС на 1200 голов и потенциальный тепловой поток от утилизации биогаза за год

Исследования, проведенные на экспериментальной установке (рис. 3, 4), позволили изучить влияние конструктивных особенностей установки термической сушки, в частности, газогорелочного устройства, обеспечивающего требуемые параметры технологического процесса и устойчивое горение биогаза с минимальным выбросом вредных веществ на процесс обработки органических удобрений. Помимо этого экспериментально исследовалось влияние параметров теплоносителя и способа подвода теплоты к обрабатываемому материалу.

В практике для обработки дисперсных материалов чаше всего применяют сушку инфракрасным излучением и конвективную сушку. Для определения эффективности этих методов сушки применительно к остатку анаэробной ферментации проведен ряд опытов. В качестве критерия оптимизации выбраны время сушки ф, мин., и степень сухости вещества S, кг/кг сух. вещ., представляющая собой отношение массы испарившейся влаги к массе абсолютно сухого вещества.

Рис. 2 Схема газоснабжения животноводческого комплекса на 1200 голов КРС с использованием биогаза в качестве альтернативного источника тепловой энергии и цикл по обработке отходов производства: 1 - биореактор, 2 - компрессор, 3 - влагоотделитель, 4 - фильтр-поглотитель сероводорода, 5 - газгольдер, 6 - котельная, 7 - резервуар со сжиженным газом, 8 - линия для сушки гранулированных удобрений, 9 - отстойник, 10 - помещения содержания животных

Рис. 3. Экспериментальная установка для исследования процесса сушки сброженного субстрата с использованием биогаза в качестве топлива

В результате экспериментальных исследований сушки инфракрасным излучением получена аналитическая зависимость (2) степени сухости вещества от толщины слоя и размеров гранул материала:

(2)

Исследование процесса сушки инфракрасным излучением остатка анаэробной ферментации позволило выявить граничные параметры, на основе которых даны следующие рекомендации:

- толщина слоя материала не должна превышать 45 мм, так как при увеличении толщины происходит недостаточная обработка нижних слоев материала, при этом верхние слои экранируют излучение;

- диаметр гранул следует принимать не более 15 мм.

- тепловой поток не должен превышать 70 кВт/м2.

Использование этого способа обработки сброженного субстрата целесообразно для хозяйства с поголовьем не более 20 голов КРС, в связи с необходимостью устройства сушилок с большой рабочей поверхностью.

Рис. 4. Схема базовой модели экспериментальной установки для исследования процесса сушки сброженного субстрата с использованием биогаза в качестве топлива: 1 - дутьевое устройство; 2 - брезентовый воздуховод; 3 - шибер; 4 - отверстие для крепления горелки; 5 - отверстие для подачи воздуха; 6 - газораспределительная решетка; 7 - загрузочно-разгрузочное отверстие; 8 - топочная камера; 9 - рабочая камера; 10 - отверстия для присоединения теплообменника; 11, 12, 13 - точки замера исследуемых параметров.

Для определения эффективности использования конвективной сушки при обработке остатка анаэробной ферментации на экспериментальной установке проведен ряд опытов, в результате которых получена графическая зависимость (рис. 5) степени сухости вещества от метода подвода теплоты и времени обработки материала. Интенсификация процесса теплопередачи от теплоносителя к материалу осуществляется организацией кипящего слоя.

При сбраживании навоза от 20 и более голов крупного рогатого скота целесообразно применение сушки в псевдоожиженном слое с подводом сушильного агента, полученного при смешении наружного воздуха с продуктами сгорания биогаза. Сжигание осуществляется в газогорелочном устройстве с принудительной подачей воздуха, непосредственно в топочной части сушила. Такой способ позволяет обрабатывать большее количество отходов в более компактной и практичной в использовании установке.

Рис. 5. Зависимость степени сухости вещества от времени сушки при различных способах подвода теплоты: а - сушка воздухом; б - сушка воздухом, нагретым в теплообменнике; в - сушка воздухом, разбавленным дымовыми газами; г - сушка инфракрасным излучением

Биогаз является высоко забалластированным топливом, что не позволяет переносить принципы сжигания природного газа на биогаз. С целью выбора оптимальной конструкции газогорелочного устройства (ГГУ) на экспериментальной установке проведен ряд опытов с различными типами дутьевых газогорелочных устройств, отличающимися способами подвода биогаза и воздуха (рис. 6).

Результаты анализа уходящих дымовых газов показали, что при сжигании биогаза в горелках с тангенциальным подводом воздуха и с подводом воздуха через лопаточный завихритель концентрация CO не превышает значения, установленного нормативной литературой, независимо от способа подачи газа (центральной или периферийной). Для газогорелочных устройств при прямоточном подводе воздуха и всех комбинациях подачи газа наблюдается превышение концентрации CO в продуктах сгорания в 4-10 раз по сравнению с нормативным значением.

Рис. 6. Газогорелочные устройства с различными вариантами подвода биогаза и воздуха

Вследствие низкой температуры факела (<1000 °C) и оптимального коэффициента избытка воздуха не наблюдается превышения концентрации NO2 сверх нормативных значений для всех конструкций газогорелочных устройств.

Для учета влияния обоих компонентов введен коэффициент экологического воздействия В, который характеризует суммарное влияние оксида углерода и диоксида азота на окружающую среду (рис. 7).

, (3)

Для выявления влияния конструкции газогорелочного устройства, в частности способа подвода биогаза и воздуха, на качество сжигания топлива проведен двухфакторный эксперимент с использованием рангового критерия Дункана, который показал, что при конструировании газогорелочных устройств для установок термической сушки следует выбирать тангенциальный подвод воздуха или подвод воздуха через лопаточный завихритель.

Наилучшим способом подвода биогаза в газогорелочном устройстве является периферийная подача, но, ввиду усложнения конструкции горелки, этот способ неприемлим. Поэтому можно рекомендовать центральную подачу биогаза через перфорированный насадок.

Рис. 7. Диаграмма значений коэффициента экологического воздействия в зависимости от типа газогорелочного устройства (тип ГГУ см. рис. 6)

Условия эксплуатации газогорелочного устройства при сжигании биогаза требуют надежных методов стабилизации горения. Одним из вариантов может служить тело плохо обтекаемой формы, установленное непосредственно перед устьем горелки. Наряду с этим, использование вихревых ГГУ, выдающих закрученный газовоздушный поток, позволяет повысить эффективность стабилизаторов горения (рис. 8).

Рис. 8. Диапазон устойчивой работы газогорелочного устройства: 1 - отрыв, 2 - проскок; 1/ - отрыв пламени при установке стабилизатора горения;2/ - проскок пламени при установке стабилизатора горения

Установка стабилизатора горения позволила увеличить скорость отрыва пламени при б=1,0 до 3,5 м/с, при условии работы горелки в восходящем потоке воздуха, движущегося со скоростью 2,2 м/с.

Основным условием существования псевдоожиженного слоя является скорость воздушного потока, проходящего через обрабатываемый материал. Она должна быть больше или равна скорости псевдоожижения. Скорость псевдоожижения является определяющим параметром при выборе площади газораспределительной решетки и производительности дутьевого устройства.

Результаты математической обработки численных данных эксперимента позволили получить аналитическую зависимость скорости псевдоожижения материала от степени сухости и его плотности (4). В ходе исследования использовались гранулы цилиндрической формы с соотношением линейных размеров L/d=2.

. (4)

Для численного определения условий существования кипящего слоя введено значение удельной массы материала, кг/м2, максимальное значение которой можно определить по аналитической зависимости (5)

. (5)

Гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя, Па, можно определять по аналитической зависимости (6)

. (6)

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований автором разработана методика определения оптимальных конструктивных параметров установки термической сушки остатка анаэробной ферментации, алгоритм которой представлен на рис. 9.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. Алгоритм определения конструктивных параметров установки термической сушки

Общая сметная стоимость строительно-монтажных работ и материалов при возведении биореакторной установки и комплекса по утилизации биогаза на животноводческом предприятии с поголовьем 1200 КРС составляет 2980 тыс. руб. Замена биогазом природного газа обеспечивает экономию средств в размере 1181 тыс. руб/год. В этом случае срок самоокупаемости биогазового комплекса составит 2,5 года. Если взять в расчет прибыль, полученную от реализации органических удобрений, срок самоокупаемости биогазового комплекса сократится до 1,25 года. В случае учета выплат за загрязнение окружающей среды, срок самоокупаемости биогазовой установки и устройства термической сушки снижается до 9 месяцев.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе дано решение актуальной задачи газоснабжения сельскохозяйственных предприятий с привлечением альтернативного возобновляемого источника энергии биогаза с одновременным снижением выбросов вредных веществ в атмосферу.

Основные выводы по работе:

1. Представлены система газоснабжения сельскохозяйственного предприятия и замкнутый цикл обработки и утилизации отходов животноводства с привлечением биогаза в качестве нетрадиционного возобновляемого источника энергии. Отличительной особенностью системы газоснабжения является установка термической сушки, обеспечивающая круглогодичную утилизацию побочного продукта анаэробной ферментации - сброженного субстрата.

2. На основании анализа опытных данных выявлено, что при обработке сброженного субстрата объемом до 0,4 м3/сут. с влажностью 60 % целесообразно использовать сушку инфракрасным излучением, а при больших объемах необходимо применение сушки в псевдоожиженном слое с подводом сушильного агента, полученного при смешении холодного воздуха с продуктами сгорания биогаза.

3. Разработана установка термической сушки с псевдоожиженным слоем для обработки сброженного субстрата сельскохозяйственных БГУ.

4. Экспериментально установлено, что газогорелочные устройства с принудительным тангенциальным подводом воздуха и подводом воздуха через лопаточный завихритель при всех комбинациях подачи газа позволяют сжигать биогаз с наибольшим КПД установки без превышения концентраций загрязняющих веществ в уходящих продуктах сгорания сверх нормативных значений.

5. Уточнены пределы устойчивой работы газогорелочных устройств на биогазе в установках термической сушки; даны рекомендации по расширению диапазона устойчивости горения за счет использования тел плохо обтекаемой формы совместно с организацией закрученного газовоздушного потока, что позволяет расширить диапазон более чем в 5 раз.

6. С учетом имеющегося опыта, получены экспериментальные зависимости, характеризующие граничные условия существования псевдоожиженного слоя, учитывающие свойства и гранулометрический состав обрабатываемого материала.

7. По результатам теоретических и экспериментальных исследований предложены рекомендации по определению основных конструктивных параметров установки термической сушки остатка анаэробной ферментации с псевдоожиженным слоем.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

- количество теплоты от утилизации биогаза, кВт; - количество теплоты, потребляемое на собственные нужды животноводческим предприятием, кВт; - нормируемая концентрация оксида углерода; - нормируемая концентрация диоксида азота; - концентрация оксида углерода в уходящих продуктах сгорания в пересчете на сухие неразбавленные продукты сгорания (при б=1,0), мг/м3; - концентрация диоксида азота в уходящих продуктах сгорания, мг/м3; S - степень сухости вещества, кг/кг сух. вещ.; ф - время сушки, мин.; d - диаметр гранул, мм; д - толщина высушиваемого слоя, мм; - скорость псевдоожижения материала, м/с; W - скорость газовоздушной смеси на выходе из патрубка, м/с; б - коэффициент избытка воздуха; f - площадь поверхности частицы, мм2; с - плотность материала, кг/м3; - максимальная удельная масса вещества, кг/м2; Р - гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя, Па.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кондауров П.П. Применение биогазовых технологий для снижения экологической нагрузки на окружающую среду / П.П. Кондауров // VIII Регион. конф. молод. исследователей Волгогр. обл. «Экология, охрана среды, строительство». - Волгоград, 2003. - С. 18-20.

2. Кондауров П.П. Анаэробная обработка биомассы с последующей утилизацией продуктов распада / П.П. Кондауров // IX Регион. конф. молод. исследователей Волгогр. обл. «Экология, охрана среды, строительство». - Волгоград, 2004. - С. 12-14.

3. Кондауров П.П. Выбор газогорелочного устройства для установок дегидратации остатка анаэробной ферментации / П.П. Кондауров // X Регион. конф. молод. исслед. Волгогр. обл. «Архитектура, градостроительство, строительство и экологические проблемы». - Волгоград, 2005. - С. 50-52.

4. Мариненко Е.Е. Решение экологических проблем на животноводческих предприятиях с использованием биогазовых технологий / Е.Е. Мариненко, П.П. Кондауров // II Междунар. науч. конф. «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды». - Волгоград, 2003. - С. 48-53.

5. Мариненко Е.Е. Снижение выбросов вредных веществ при переоборудовании газогорелочных устройств инфракрасного излучение для сжигания биогаза / Е.Е. Мариненко, П.П. Кондауров, А.В. Черкасов // III Междунар. науч. конф. «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды». - Волгоград, 2004. - С. 210-214.

6. Кондауров П.П. Снижение выбросов вредных веществ с продуктами сгорания биогаза в установках дегидратации сброженного субстрата / П.П.Кондауров, Е.Е. Мариненко // IV Междунар. науч. конф. «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды». - Волгоград, 2006. - С. 31-36.

7. Кондауров П.П. Сравнительный анализ методов сушки в установках дегидратации остатка анаэробной ферментации с использованием биогаза / П.П. Кондауров, Т.В. Ефремова // Вестник ВолгГАСУ. - Волгоград, 2005. - Вып. 5(17). - С. 131-135 (из списка ВАК).

8. Кондауров П.П. О целесообразности производства и использования биогаза в замкнутом цикле обработки отходов сельхозпредприятий с утилизацией побочного продукта анаэробной ферментации / П.П. Кондауров, Е.Е. Мариненко / Известия высших учебных заведений. Северо-кавказский регион. Технические науки. // Южно-Российский гос. тех. ун-т. - Новочеркасск, 2006. - Приложение № 9. С. - 105-110 (из списка ВАК).

Размещено на Allbest.ru