Расчет и выбор биогазовой установки для ООО "Солгонское" Ужурского района Красноярского края

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вариант №20

Расчет и выбор биогазовой установки для ООО «Солгонское» Ужурского района Красноярского края

1. Методика моделирования биоэнергетических процессов биогазовой установки

1) Определяют объем единовременной загрузки метантенка. Если принят непрерывный способ загрузки и объем метантенка рассчитан на все поголовье, то суточный объем загрузки определяется как масса суточных экскрементов:

, кг, (1.1)

где - количество животных;

- удельный выход экскрементов в сутки.

Если навоз загружается с подстилкой, то необходимо применять поправочный коэффициент К_п, учитывающий органическую массу подстилки.

2) Определяют долю сухого вещества (СВ) в загружаемом материале:

, кг, (1.2)

где W_Э- влажность массы экскрементов, %.

3) Определяют долю сухого органического вещества (СОВ) в навозе:

, (1.3)

где Р_сов% - доля СОВ в сухом веществе навоза.

4) Определяют выход биогаза при полном разложении СОВ навоза:

V_пол=n_эк·m_сов, (1.4)

где n_эк - выход биогаза из 1 кг СОВ различного исходного материала, м³/кг.

5) Определяют объем полученного биогаза при выбранной продолжительности метанового брожения:

V_б=V_пол·, (1.5)

где n_t-доля выхода биогаза от исходного материала при данной продолжительности метанового процесса, %.

Если объем метантенка предварительно не определен, то расчет тродолжается в следующем направлении.

6) Находят объем метантенка:

, (1.6)

где n_v - рекомендуемый объем загрузки СВ в сутки, кг/м.

Данное значение V_м необходимо согласовать с объемом полной загрузки метантенка:

, (1.7)

где m_сут.эк. - суточная загрузка метантенка, кг/сут;

t_сут - продолжительность процесса брожения, сут.;

- удельная плотность сбраживаемой массы, кг/м.

Если V_{пол.заг} <<V_м, то значительная часть метантенка использоваться не будет. Метантенк - наиболее капиталоемкий элемент биогазовой установки, и, понятно, что такой вариант экономически будет проигрывать.

При V_{пол.заг} =V_м могут возникнуть проблемы со сбором биогаза, так как пена, образующаяся в процессе брожения, будет забивать канал сбора биогаза. Желательно, чтобы соотношение V_{пол.заг} / V_м составляло 0, 7...0, 9.

7) Если собираются применять стандартный метантенк, то останавливаются на ближайшем большем объеме его; если метантенк будет изготовляться индивидуально, то под объем V_м рассчитываются геометрические размеры. Рекомендуется выбирать метантенк цилиндрической формы. Для удобства сбора шлама и биогаза верхнюю и нижнюю части метантенка выполняют в виде усеченного конуса с горловиной в верхней части. Определяется способ перемешивания сбраживаемой массы (механическое перемешивание, барботаж).

8) Проводят тепловой расчет метантенка:

определяют количество теплоты, необходимое для подогрева загружаемой массы до температуры процесса брожения в сутки:

, (1.8)

где С_С - средняя теплоемкость субстрата, МДж/(кг°К);

Т_ПР - температура процесса брожения, °К;

Т_ЗАГ - температура загружаемого субстрата, °К;

з - коэффициент полезного действия процесса.

Определяют количество теплоты, теряемой субстратом в результате теплоотдачи через стенку реактора в окружающую среду за час:

, (1.9)

где T_СРЕДЫ - температура окружающего воздуха, °К;

Р - площадь поверхности теплообмена метантенка, м²;

k - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·^оК).

, (1.10)

где и - термическое сопротивление теплоотдачи от субстрата к внутренней поверхности стенки метантенка и от внешней поверхности теплоизоляции метантенка к окружающей среде;

- суммарное сопротивление теплопроводности материала стенок метантенка () и теплоизоляции ().Если теплоизоляция многослойна, в расчетах учитывается каждый слой.

9) Определяют затраты энергии на перемешивание биомассы. На основании экспериментальных данных затраты энергии на перемешивание механическими мешалками можно принять равными 30...60 Вт/м³ при режиме: 4 часа работы и 7 часов паузы.

10) Определяют общие затраты энергии на поддержание процесса в сутки:

Q_общ=Q_под+Q_пот·24+Q_мех·t_раб, МДж/сут, (1.11)

где t_раб - время работы механической мешалки в сутки.

11) Определяют потенциальные запасы энергии биогаза, выработанного за сутки:

Q_выр=V_б-C_б, (1.12)

где С_б - теплотворная способность биогаза, МДж/м.

12) Определяют энергетический эффект установки:

Э_б=Q_выр+Q_общ, МДж/сут, (1.13)

13) Определяют коэффициент товарности биогазовой установки:

, (1.14)

2. Исходные данные

биогазовый установка энергоснабжение сельскохозяйственный

Таблица 2.1 - Поголовье скота в ООО «Солгонское

Таблица 2.2 - Суточное количество экскрементов

Таблица 2.3 - Параметры биогазовой установки

3. Результаты расчета биогазовой установки

4. Описание биогазовой установки

Выбираем биогазовую установку «ZORG» производительностью 300 т/сутки [3].

Биогазовая станция 300 т/сутки натурального навоза КРС влажностью 85%. Данная биогазовая станция способна принять до 300 тонн навоза КРС в сутки, влажностью 85%. Такое количество навоза производится молочной фермой 1500 дойных коров.

Биогазовая станция будет производить биогаз в объеме 3715 м³/сутки с содержанием метана 55 %. Возможна установка дополнительного модуля теплоэлектростанции электрической мощностью 330 кВт и тепловой мощностью 395 кВт.

Кроме энергоносителей, биогазовая станция будет производить качественные биоудобрения в количестве 16 т/сутки твердых влажностью 70 % и 44 тонн/сутки жидких биоудобрений влажностью 99 %.

Рисунок 1. - Технологическая схема биогазовой станции фермы КРС

Таблица 4.1 - Технические характеристики биогазовой станции

Твердый навоз подается непосредственно в реактор шнековым загрузчиком. Загрузчик оснащен датчиками веса и электрическим приводом, которые интегрируется в централизованную систему управления биогазовой установкой.

Бункер укомплектовывается двумя турбошнеками. Турбошнеки имеют систему плавного пуска, таким образом происходит экономия электроэнергии и гарантируется надежная работа привода в течении 24 часов в день.

Реактор является газонепроницаемым, полностью герметичным резервуаром железобетона. Это конструкция теплоизолируется слоем утеплителя.

Толщина утеплителя рассчитывается под конкретные климатические условия. Перемешивание биомассы внутри реактора производится наклонными и погружными мешалками.

Для оптимальной работы ферментатора и производства биогаза, необходима эффективная циркуляция субстрата внутри ферментатора. Наклонные мешалки разработаны специально для работы в агрессивных условиях. С помощью перемешивания не образовывается корка, что позволяет биогазу легко выходить на поверхность, а субстрат не осаждается.

Внутри реактора поддерживается фиксированная для микроорганизмов температура. Температура в реакторе мезофильная около 37 ^оС. Подогрев реактора ведется теплоносителем.

Температура воды на входе в реактор 60 °С. Температура воды после реактора около 40 °С. Система подогрева - это сеть трубок, находящихся внутри стенки реактора, либо на ее внутренней поверхности.

Если биогазовая установка комплектуется когенерационной установкой, то теплоноситель от охлаждения генератора используется для подогрева реактора. Температура воды после генератора 90°С. Теплая вода с температурой 90°С смешивается с водой 40°С и поступает в реактор с температурой 60 °С. В зимний период биогазовой установке требуется до 50 - 70% вторичного тепла отведенного от теплоэлектрогенератора. В летний - около 10%.

Рисунок 2 - Когенерационная установка

Среднее время гидравлического отстаивания внутри реактора 30 - 40 дней. На протяжении этого времени органические вещества внутри биомассы метаболизируются (преобразовываются) микроорганизмами.

Всю работу по сбраживанию отходов проделают анаэробные микроорганизмы. В биореактор микроорганизмы вводятся один раз при первом запуске. Дальше никаких добавок микроорганизмов и дополнительных затрат не требуется. Введение микроорганизмов производится добавлением свежего навоза. В навозе микробы присутствуют и попадают в него еще из кишечника животных. Эти микроорганизмы полезны и не приносят вреда человеку или животным. К тому же реактор - это герметичная система. Поэтому реакторы, а точнее их назвать ферментерами, располагаются в непосредственной близости от фермы или производства.

На выходе имеется два продукта: биогаз и биоудобрения (компостированный и жидкий субстрат).

Биогаз сохраняется в емкости для хранения газа - газгольдере. Здесь в газгольдере выравниваются давление и состав газа. Система газгольдера имеет двухслойную конструкцию. Внешний купол - чехол из PVC со специальными добавками имеет стойкость к ультрафиолетовому излучению и атмосферным осадкам.

Внутренняя мембрана, которая непосредственно контактирует с биогазом, выполнена из материала PELD.

Внутренний купол натягивается под действием вырабатываемого биогаза. Между внешним и внутренним куполом закачивается воздух для создания сверху давления на нижний купол, а также для придания формы внешнему. Давление биогаза внутри газгольдера составляет от 200 до 500 Па.

Герметичность в узле крепления купола и газгольдера к стене ферментатора обеспечивает пневматический замок. Для безопасной работы газгольдера установлен предохранительный клапан избыточного давления. В комплект поставки газгольдера входят смотровые акриловые окна и патрубки для отвода биогаза.

Запас объема газгольдеров на несколько часов. Газовая система включает в себя вентилятор, конденсатоотводчик, десульфулизатор и т.п.

Из газгольдера идет непрерывная подача биогаза в газовый теплоэлектрогенератор - коогенерационную установку. Здесь уже производится тепловая и электрическая энергия.

Переброженная масса - это биоудобрения, готовые к использованию. Жидкие биоудобрения отделяются от твердых с помощью сепаратора и сохраняются в емкости для хранения биоудобрения. Этот субстрат - аммиачная вода в основном используется как удобрение из-за высокой концентрации аммиака (NH₄). Твердые удобрения хранятся на специальном участке. Из емкости хранения жидких удобрений насосами масса перекачивается в бочки-прицепы и вывозится на свои поля или на продажу.

Всей системой управляет система автоматики. Система контролирует работу насосной станции, мешалок, системы подогрева, газовой автоматики, генератора. Для управления достаточно всего 1 человека 2 часа в день. Этот человек ведет контроль с помощью обыкновенного компьютера.

Рисунок 3 - Визуализация процессов на компьютере

Комплект поставки.

Биогазовая установка состоит из строительных сооружений и оборудования.

Строительная часть (бетонные емкости) при желании экономии может выполняться Заказчиком самостоятельно по себестоимости при авторском надзоре.

Литература

1. Матюшев, В.В. Положение по оформлению текстовой и графической части учебных и научных работ (общие требования) / В.В. Матюшев, Т.Н. Бастрон, Л.П. Шатурина; Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2007. - 76 с.

2.Саплин, Л.А., Энергоснабжение сельскохозяйственных потребителей с использованием возобновляемых источников: Учебное пособие / Л.А. Саплин, С.К. Шерьязов, О.С. Пташкина-Гирина, Ю.П. Ильин // Под общей ред. д-ра техн. наук, проф. Л.А. Саплина. Челябинск: ЧГАУ, 2000. - 194 с.

3. www.zorg.ru

Размещено на Allbest.ru