Нетрадиционные возобновляемые источники энергии на животноводческом предприятии

Размещено на http: //www. allbest. ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

«БУРЯТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ им.В.Р.ФИЛИППОВА»

Кафедра «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

для выполнения расчётно-графической работы с обучающихся инженерного факультета по дисциплине (направление подготовки «Агроинженерия», профиль подготовки - Электрооборудование и электротехнологии, квалификация (степень) выпускника - бакалавр; форма обучения - очная, заочная

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии на животноводческом предприятии

Бадмаев Ю.Ц.

Улан-Удэ 2018

Исходные данные к расчётной работе:

Талица 1 Наименование животноводческих объектов и характеристика № п/п

1. Пояснения к расчетно-графической работе

1.1 Определение тепловых потоков на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение животноводческого предприятия

1.1.1 Расчет тепловых нагрузок животноводческих ферм

Тепло на животноводческих фермах расходуется на технологические нужды (приготовление кормов, обработка молока, мойка и т.д.), горячее водоснабжение, отопление и вентиляцию помещения.

В целях экономии энергетических ресурсов с/х предприятия в курсовой работе предусматривается применение возобновляемых источников энергии в виде биогаза, получаемого из органических отходов животноводства.

1.1.2 Расчет количества тепла на приготовление кормов

Принимая во внимание, что размельчение корма (кроме соломы) хорошо усваиваются крупным рогатым скотом, с целью экономии тепла учитываем расход пара на запаривание только соломы

Для свиноферм принимаем расход горячей воды для приготовления концентратов. Нормы расхода кормов, пара и горячей воды для их приготовления приведены в таблице 1.1.

Тогда для крупного рогатого скота:

, кДж/ч (1.1)

Таблица 2 Нормы расхода кормов, пара и горячей воды

Для свинофермы: Q_к , (кДж/ч):

, (1.2)

Где и - энтальпии пара и воды, кДж/кг (см. табл.ПБ 1, ПБ.2 приложения)

1.1.3 Расчет тепла на обработку молока

; кДж/ч, (1.3)

где - количество молока, обрабатываемого за час. Можно принять на одну голову = 1 кг/ч; С = 3,56 кДж/кгград - теплоемкость молока; 72 - конечная температура молока при кратковременной и 90 - при мгновенной пастеризации; 20 - 25 - начальная температура молока; - число голов скота.

1.1.4 Расчет количества тепла на другие технологические нужды

Сюда относится тепло на подогрев воды для подмывания вымени, промывку молокопроводов и доильных аппаратов, мойку оборудования, сепараторов, фляг и др. можно принять на все эти нужды расход горячей воды при 65 - 11,8 кг/сутки на одну голову скота. Тогда:

, кДж/ч, (1.4)

где =4,2 * 65 кДж/кг * град - теплоемкость воды при = 65; = 10 - начальная температура воды.

Для свиноферм: мойка оборудования, фляг, баков и т.п. Расход горячей воды при 65 - 5,5 кг/сутки на одну голову скота.

1.1.5 Расчет тепла на водяное отопление подсобных помещений фермы

, кДж/ч, (1.5)

где кДж/ * ч * град - отопительная характеристика подсобных помещений фермы, определяется по формуле:

* ч * град ; (1.6)

- наружный объем здания, для подсобных помещений; - коэффициент теплопередачи стен и проемов помещения, можно принять = 5,46 * ч * град; Н - высота здания, м; =4,62 - коэффициент теплопередачи перекрытий; а и в - размеры помещения в плане, м, можно принять а = (45)в; = 20 - внутренняя температура в подсобных помещениях; = -35 - расчетная температура наружного воздуха .

1.1.6 Расчет тепла на вентиляцию фермы (воздушное отопление)

; кДж/ч, (1.7)

где - величина воздухообмена, или количество нагреваемого воздуха, /ч; = 1,1 кДж/ кг * град - удельная теплоемкость воздуха; = 0,465 ; плотность воздуха при температуре помещения и данном барометрическом давлении

-

температура после калорифера, равная температуре помещения; = -23 - расчетная температура для вентиляции; - коэффициент, учитывающий время работы вентиляционной установки, для крупного рогатого скота можно принять = 0,4, для свиноферм - 0,7.

(1.8)

где Р - количество С, л/ч, выделяемое одним животным (табл.1.2); - содержание С в приточном воздухе; = 2 - 2,5 - предельно допустимое содержание С; - количество животных; - безразмерная поправка на и , можно принять 11для взрослого скота, для молодняка крупного рогатого скота -18, на свинофермах = 21-26 .

(1.9)

Таблица 3 Количество и тепла, выделяемых одним животным

Воздушное отопление, кроме вентилирования фермы, должно компенсировать тепло, потерянное при открывании ворот и теряемое через ограждения (). Тепло, теряемое через ограждения, определяется так же, как при расчете отопления подсобных помещений, а тепло, теряемое при открывании ворот, - по следующей формуле:

; кДж/ч, (1.10)

где 1,005 - теплоемкость воздуха, кДж/ кг* град; - количество воздуха, врывающегося в помещение фермы при открывании ворот, кг/ч,

кг/ч, (1.11)

где U- скорость наружного воздуха, врывающегося в открытые ворота, м/с, можно принять = 2-4 м/с; - площадь ворот, ; - плотность воздуха, приведенная к расчетной наружной температуре воздуха, ; - температура внутри помещения; - расчетная наружная температура (дана ранее); - коэффициент, учитывающий время открытия ворот, можно принять с учетом того, что ворота открываются на 5 - 10 мин каждые 4 ч. Тогда общее количества тепла на приточно-вытяжную вентиляцию будет:

, кДж/ч. (1.12)

Расчет тепла, выделяемого животными, при определении общего количества тепла, необходимого для фермы, следует учесть тепло, выделяемое животными, - . остальные потери и приход тепла, как было сказано ранее, считаем компенсированными одни другими:

; (1.13)

где - количество животных; - тепло, выделяемое одним животным, Вт (см табл. 1.2); - коэффициент тепловыделения, можно принять 0,95.

Общее количество тепла для фермы:

кДж/ч. (1.14)

1.2 Определение образования биогаза на животноводческой ферме

В соответствии с нормами технологического проектирования суточное образование органической биомассы на животноводческой ферме G_сут (тн) подсчитывается по формуле :

(1.15)

где: q_сутэ - суточный выход экскрементов от одного животного, для крупного рогатого скота принимаем 0,035-0,04 тн, для свиней 0,010-0,012 тн; n- количество животных, голов. Объём сборника органических отходов V_нс(м³) определяем следующим образом:

V_нс = G_сут х p_н х t_н х (1.16)

где p_н - плотность органического сырья, 1,2 тн/м³; t_н - время накопления, 1…2 сут; где - коэффициент объемного расширения сбраживаемого субстрата в метантенке, 2,1…..3,2 .д.е. в зависимости от влажности.

Одной из основных величин, при проектировании фабрик и цехов по переработке органических отходов в анаэробных условиях, является вместимость камеры сбраживания метантенка, от которой зависит продолжительность переработки сырья и степень разложения органической биомассы.

Необходимая вместимость камеры сбраживания V_k (м³) зависит от дозы загрузки исходного сырья в метантенк D(%) и определяем по следующему выражению:

(1.17)

Доза загрузки метантенка выбирается из условия надежной защиты окружающей среды от загрязнения и эффективного производства органических удобрений. Охрана окружающей среды обеспечивается при полном обеззараживании отходов в процессе сбраживания от элементов и болезнетворных микроорганизмов, а качество органических удобрений определяется степенью распада беззольного органического вещества. Доза загрузки метантенка является фактором, на котором основывается весь ход процесса метанового сбраживания и при этом данный фактор предопределяет степень биологической конверсии органического вещества.

Объем органического вещества в сбраживаемом сырье G_о(тн) зависит от его влажности и зольности и может быть рассчитана по формуле:

(1.18)

где G_сут - масса сбраживаемого сырья, тн; W - влажность,% (см. табл. 1.3); А_С- зольность навозного стока.

В результате анализа экспериментальных данных (таблица 1.3), установлено, что скорость образования биогаза «V_C» с единицы перерабатываемого органического сырья зависит от её влажности «W» и дозы «D» суточной загрузки метантенка.

Таблица 4 Скорость образования биогаза в зависимости от влажности и суточной дозы загрузки сырья в метантенк

Общее образование биогаза на животноводческих фермах V зависит от содержания сухого органического вещества (СОВ), влажности и зольности. Из анализа литературных источников следует, что при влажности органической биомассы W = 92% из 1,0тн отходов крупного рогатого скота общее образование биогаза составляет V = 18…20м³, свиней V = 25…28м³. Отсюда следует, что суточное образование биогаза на животноводческих фермах V (м³/сут) определяем по следующему выражению:

(1.19)

где - степень распада органического вещества, 45…65 %; G_О - объем органического вещества, тн/м³; G_сут -объём сбраживаемого сырья, м³; p_б - плотность биогаза, 0,95 тн/м³;

Эффективность производства биогаза во многом зависит не только от свойств сбраживаемого сырья и схем его переработки, но и от технологического процесса, конструктивных параметров биогазовой установки, а также температуры окружающей среды.

Главным показателем технологического процесса образования биогаза является продолжительность сбраживания сырья в метантенке Т(сут.) и определяют следующим образом:

(1.20)

где V_с.. - скорость образования биогаза в метантенке , м³/сут; G_ш -масса перерабатываемого сырья (сброженный шлам), тн/м³; где V - общий объем образованного биогаза в метантенке, м³;

Масса перерабатываемого сырья G_ш (кг/м³) зависит от суточной дозы загрузки метантенка исходным сырьём D(%), т.е.

G_ш (кг/м³) = D(%).

Эффективность производства биогаза возможно лишь в случае, когда суммарная энергия полученного биогаза будет значительно превышать расходы энергии на его производство, т.е. должно выполняться условие получения товарного энергоносителя - биогаза, которое в общем виде может быть представлено как :

(1.21)

где V_T - количество товарного биогаза, м³; V - общее количество полученного биогаза, м³; Q_СН - расход энергии на нужды установки, кДж (35-45% от V ); - теплотворная способность биогаза, 23-27 кДж/м³

Энергетическая ценность биогаза зависит от его количества, которая определяется соотношением основных компонентов - метана СН₄ - и углекислого газа СО₂. Остальные компоненты - сероводород, аммиак, кислород составляют незначительную часть биогаза и на теплотехнические свойства его как топливо практически не могут оказать влияние.

Теплоту сгорания сухого газообразного топлива можно определить по объемному составу и известной теплоте сгорания компонентов. Низшая теплота сгорания биогаза, с учетом внешнего балласта, определяют по следующему выражению:

(1.23)

где Q_бн- низшая теплота сгорания биогаза, кДж/м³; 358,6 СН₄ х 100 - низшая теплота сгорания метана, кДж/м³; СН₄ - объемное содержание метана в 1 м³ биогаза, 65…72%; - объемная теплоемкость углекислого газа, 1,305 кДж/м³К; t_гор. - теоретическая температура горения биогаза с заданным содержанием СН₄ и СО₂, 973 К; t_нач - начальная температура биогаза, 285 К; СО₂ - содержание углекислого газа в 1 м³ биогаза, 25…30%.

Получаемый биогаз плотностью 1,2 кг/ м3 (0,93 плотности воздуха) имеет следующий состав (%): метан - 65, углекислый газ - 34, сопутствующие газы - до 1 (в том числе сероводород - до 0,1). Содержание метана может меняться в зависимости от состава субстрата и технологии в пределах 55-75 %. Содержание воды в биогазе при 40°С - 50 г/м3; при охлаждении биогаза она конденсируется, и необходимо принять меры к удалению конденсата (осушка газа, прокладка труб с нужным уклоном и пр.). Энергоемкость получаемого газа - 23 мДж/ м3 , или 5500 ккал/ м³ . Энергия, запасенная в первичной и вторичной биомассе может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими путями. Получение растительных углеводородов (растительные масла, высокомолекулярные жирные кислоты и их эфиры, предельные и непредельные углеводороды и т.д.). Термохимическая конверсия биомассы (твердой, до 60%) в топливо: прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, фест-пиролиз.

животноводческий биомасса топливо отопление

Литература

1. Бадмаев Ю.Ц. Интенсивная технология анаэробной переработки органических стоков в Байкальском регионе / Ю.Ц. Бадмаев // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии имени В.Р. Филиппова.- 2009. - № 3(16). С.157-160.

2. Бадмаев Ю.Ц. Эффективная переработка органических стоков в Байкальском регионе с применением анаэробного биофильтра. // Вестник Крас. ГАУ. Вып. 7(34) / Ю. Ц. Бадмаев - Красноярск: Изд-во Крас. ГАУ, 2009. С.172-174.

3. Бадмаев Ю.Ц. Результаты лабораторных исследований иммобилизации метанообразующих микроорганизмов на твёрдых носителях [Текст] / Ю.Ц. Бадмаев, Ю.А. Сергеев // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии имени В.Р. Филиппова.- 2017.- № 3(43). С.70-77.

4. Бадмаев Ю.Ц. Методика расчёта оптимальной дозы загрузки биореактора при анаэробном сбраживании навозных стоков. / Ю.Ц. Бадмаев.// Вестник Бурятского государственного университета. Сер. 9. Физика и техника. Вып. 5 - Улан-Удэ. Изд-во Бурятского гос. ун-та. 2006. С. 210-214.

5. Бадмаев Ю.Ц. Высокоинтенсивная технология анаэробной переработки органических отходов животноводства в условиях Республики Бурятия: Научно-методические рекомендации [Текст] / Ю.Ц. Бадмаев - Улан-Удэ: Изд-во БГСХА им. В.Р. Филиппова, 2014. - 104 с.

6. Бадмаев Ю. Ц. Эффективность производства биогаза для предприятий АПК Байкальского региона. / Ю.Ц. Бадмаев, А.А. Ковалев, М. В Федоров / Энергетический вестник Санкт-Петербургского ГАУ: Сб. Науч. Трудов - Изд-во С- П ГАУ, 2009. С. 227-231.

7. Бадмаев Ю.Ц. Теоретические исследования биогаза - биотоплива для автономных сельскохозяйственных энергопотребителей / Ю.Ц. Бадмаев, И.Б. Шагдыров, А.Ю. Бадмаев / Материалы международной научно-практической конференции. Улан-Батор: изд-во Монг. СХУ, 2015. - С.15-19.

8. Бадмаев Ю.Ц. Технологии переработки навоза и навозных стоков и методы их совершенствования / Ю.Ц. Бадмаев, Ю.А. Сергеев // Сб. научн. трудов ВСГУТУ, Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2017. - № 13. С.27-30.

Размещено на Allbest.ru