3 Расчет параметров биогазовой установки

3.1 Выбор технологической схемы

Современный уровень развития анаэробной ферментации навозных стоков позволяет покрыть за счет биогаза 30-35% потребностей животноводческих ферм в тепловой энергии. В современных конструкциях биогазовых установок благодаря подогреву встроенными источниками теплоты, надежной теплоизоляции метантенков и непрерывной подачи подогретого свежего субстрата обеспечивается постоянная температура при сбраживании. Предусматривается механическое перемешивание субстрата для интенсификации сбраживания и отвода биогаза.

Большинство биогазовых установок основано на поточном принципе действия, т.е поступа­ющее в них сырье немедленно вытесняет отработанное. Свежая порция навоза поступает непре­рывно порционно (2-10 раз в сутки), а отбор биогаза и удаление ила производят по мере необходи­мости /2,4/.

Биогазовая установка, состоит из следующих элементов: приемной емкости, камеры сбраживания (метантанк, реактор), нагревательного устройства (теплообменника), устройства для пере­мешивания субстрата, газгольдера и газового водоподогревателя.

Технологическая схема биогазовой установки приведена на листе 2 графической части.

Сырье из бункера загрузки поступает в метантанк, где происходит его сбраживание, в результате чего образуется биогаз, поступающий через водяной затвор в газгольдер. Часть биогаза направляется в котел для поддержания необходимой температуры в метантанке. Перемешивание биомассы происходит при помощи мешалки, приводимой в движение электродвигателем. Отработанное сырье из метантанка поступает в хранилище биоудобрений.

3.2. Расчет конструктивно-технологических параметров

Определяем суточное поступление биомассы m_БМ по формуле

кг/сут, (3.1)

где N_Ж – количество животных j-го вида, гол;

m_УДj – суточный выход экскрементов от j–го животного, кг/гол.

Определяется доля сухого вещества в биомассе m_СВ:

(3.2)

где φ_БМ – влажность биомассы, %.

Определяем долю сухого органического вещества m_СОВ по формуле

m_СОВ = m_СВ·ρ_СОВ, (3.3)

где ρ_СОВ – доля органического вещества в сухом веществе, о.е.

m_СОВ = 500 · 0,8 = 400 кг/сут.

Определяем объем метантанка V_МТ по формуле

(3.4)

где t_Б – продолжительность брожения, сут;

ρ_БМ – плотность сбраживаемой биомассы, кг/м³.

Определяют выход биогаза V_ПОЛ, м³, при полном разложении сухого органического вещества

V_ПОЛ = m_СОВ · n_ЭК, (3.5)

где n_ЭК – выход биогаза из 1 кг СОВ, для свинарников n_ЭК = 0,415 м³/кг

V_ПОЛ = 400 · 0,415 = 166 м³.

Определяем объем полученного биогаза V_б, м³, при выбранной продолжительности метанового брожения:

(3.6)

где n_t – доля выхода биогаза при данной продолжительности брожения,

n_t = 50%.

Месячная выработка биогаза равняется

V_БГ^М = 30 · V_Б = 30 · 83 = 2490 м³. (3.7)

Годовая выработка биогаза равняется

V_БГ^ГОД = 365 · V_Б = 365 · 83 = 30295 м³. (3.8)

Определим размеры метантанка

Как правило, метантанки имеют цилиндрическую форму, отношение высоты к его внутреннему диаметру принимается равным h/d = 0,9…1,3. Принимаем h/d = 1.

Так как , то

(3.9)

3.2.2 Определение среднемесячного количества вырабатываемого биогаза.

Количество теплоты, Q_ПОД, МДж, требуемое для подогрева загружаемой массы до температуры процесса брожения:

Q_ПОД = m_БМ·с_БМ­(t_ПР – t_ЗАГР) 10^–3 (3.10)

где c_БМ – средняя теплоемкость биомассы, c_БМ = 4,18 кДж/(кг· ⁰С);

t_ПР – температура процесса брожения, ⁰С;

t_ЗАГР – температура загружаемой биомассы, ⁰С. Принимается равной среднемесячной температуре окружающего воздуха, если меньше 5 ⁰С, то принимается 5 ⁰С.

Среднемесячное количество теплоты определится из выражения:

Q_ПОД^М = Q_ПОД t_СУТ.М, (3.11)

где t_{СУТ М} – количество дней в месяце, t_СУТ.М = 30 суток.

Количество теплоты Q_ПОТ, Вт, теряемое в процессе теплоотдачи через стенку метантанка в окружающую среду:

Q_ПОТ = kF(t_ПР – t_СР), (3.12)

где k – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·⁰С);

F – площадь поверхности метантанка, м²;

t_СР – средняя месячная температура воздуха, ⁰С.

Коэффициент теплоотдачи k, Вт/(м²·⁰С), определяется по формуле

где 1/α₁ – сопротивление тепловосприятию, 1/α₁ = 0,05 (м²·⁰С)/Вт;

1/α₂ – сопротивление теплоотдачи, 1/α₂ = 0,05 (м²·⁰С)/Вт;

_i – толщина i-го слоя элемента ограждения, м;

_i – коэффициент теплопроводности i-го слоя элемента ограждения, м⁰C/Вт.

Площадь поверхности метантенка определится из выражения:

F = S_БОК + 2· S_ОСН, м², (3.13)

где S_БОК – площадь боковой поверхности метантанка, м²;

S_ОСН – площадь основания метантанка, м².

(3.14)

S_БОК = π · d_В · h = π · d²_В = 3,14 · 4,64² = 67,6 м². (3.15)

F = 67,6 + 2 · 16,9 = 101,4 м².

Принимаем бетонный метантанк толщиной 0,3 м, теплоизоляция выполнена в виде шлакобетона (0,1 м) и земляного вала (1 м).

Тогда коэффициент теплоотдачи будет равен

Вт/(м²·⁰С)

Переведем количество теплоты, теряемое в окружающую среду в МДж/мес:

Q_ПОТ^М = 3,6 · 10^–3 Q_ПОТ · t_ЧМ, (3.16)

где t_ЧМ – количество часов в месяце, t_ЧМ = 720 ч.

Общий расход энергии на механическое перемешивание субстрата в метантанке Q_МЕХ определим по формуле

Q_мех = q_норм·V_МТ ·z, кВm·ч (3.17)

где q_норм – удельная нагрузка на мешалку, ;

V_МТ – объем метантенка, м³;

z – продолжительность работы мешалки, z = 8 часов в сутки.

Q_мех = q_норм·V_МТ ·z,=50 · 78,4 · 8 = 31,4 кВт·ч.

Переводим полученные значения в МДж/мес:

Q_МЕХ^М = 3,6 · Q_МЕХ · t_{СУТ М} = 3,6 · 31,4 · 30 = 3388 МДж/мес. (3.18)

Общие затраты энергии на поддержание процесса за месяц:

Q_ОБЩ = Q_ПОД^М + Q_ПОТ^М + Q_МЕХ^М, МДж/мес, (3.19)

Количество биогаза, необходимое для поддержания процесса:

V_{БГ З}^М = Q_ОБЩ/ q_бг, м³/мес, (3.20)

Товарное количество биогаза V_{БГ ТОВ}^М , м³/мес равняется

V_{БГ ТОВ}^М = V_БГ^М – V_{БГ З}^М, (3.21)

Результаты расчетов сводим в таблицу 2.

Таблица 2 – Выработанное количество биогаза по месяцам года:

месяц	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	итого
tЗАГР^0С	5	5	5	9.4	16.2	20.2	23	22.1	16.3	9.2	5	5
QПОД, МДж/мес	17556	17556	17556	14797	10534	8026	6270	6834	10471	14923	17556	17556
QПОТ^М, МДж/мес	4066	3971	3404	2479	1765	1345	1051	1145	1755	2500	3204	3740
QОБЩ, МДж/мес	25010	24916	24348	20665	15687	12759	10709	11368	15614	20811	24149	24684
VБГ З^М, м^3/мес	1000	997	974	827	627	510	428	455	625	832	966	987
VБГ ТОВ^М , м^3/мес	1490	1493	1516	1663	1863	1980	2062	2035	1865	1658	1524	1503	20651

4. Расчет показателей энергетической эффективности

биогазовой установки

Потенциальная энергия биогаза Q_ВЫР, вырабатываемого за год определяется по формуле

Q_ВЫР = V_БГ^ГОД · q_бг = 30295 · 25 = 757375 МДж. (4.1)

Энергетический эффект биогазовой установки Э_б за год равняется

Э_Б = V_{БГ ТОВ}^ГОД · q_бг = 20651 · 25 = 516281 МДж (4.2)

Коэффициент товарности биогазаовой установки

(4.3)

Годовая экономия условного топлива составит:

. (4.4)

Таблица 2 – Показатели энергетической эффективности биогазовой установки для свинарника–откормочника на 1000 голов

Объем (метантенка), VМТ, м^3	78,4
Производительность по биогазу, м^3 / год
общая VБГ^ГОД	30295
товарная VБГ ТОВ^ГОД	20651
Удельный годовой выход товарного биогаза, м^3 / гол · год	20.65
Удельный суточный выход товарного биогаза, м^3 / гол · сут	0.06
Экономия традиционного топлива т.у.т	17.62

Заключение

На основе выполненных расчетов получено, что использование биогазовой установки позволяет сэкономить 17,6 т.у.т на теплоснабжение свинарника. Энергетический анализ показал, что на собственные нужды вырабатываеся 34% биогаза.

В холодный период года биогаз используется для работы воздухоподогревателей К-100 в системе приточной вентиляции, а также для получения горячей воды на технологические нужды с отбором из теплового контура биогазовой установки. Недоиспользованная часть биогаза может частично храниться в резервуарах в сжатом состоянии для последующего использования в необходимых случаях. Кроме того, в результате анаэробного сбраживания субстрата вырабатывается значительное количество ценного органического удобрения. Его использование позволяет повысить рентабельность сельхозпроизводства.

Таким образом, биогазовая установка является средством ресурсо- и энергосбережения в сельскохозяйственных технологиях.

Литература

1. Захаров А.А. Практикум по применению теплоты и теплоснабжению в сельском хозяйстве, М, Колос,1985 г.

2. Амерханов Р.А. , Драганов Б.Х. . Проектирование систем теплоснабжения сельского хозяйства, Краснодар,2001 г.

3. Брагинец, Полишкин Курсовое и дипломное проектирование по механизации животноводства, М, 1991 г.

4. Шишкин Н.А. Малые энергоэкономические комплексы и возобновляемые источники энергии, М, Готика, 2000 г

5. Сафонов А.П. Сборник задач по теплофикации и тепловым сетям, М, Энергоатомиздат, 1985 г.