Производственная и энергетическая эффективность использования биогазовой установки

Размещено на http://www.allbest.ru//

11

Размещено на http://www.allbest.ru//

Энергия биологической массы, наряду с малой гидроэнергетикой, солнечной, ветровой и геотермальной энергией относится к категории возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Биомассу разделяют на две группы: бытовые и производственные отходы; лес и сельскохозяйственные культуры, специально выращенные для получения органического топлива. В то же время ликвидация как органических, так и неорганических отходов (использованная биомасса, солома, щепа, мусор) представляет собой серьезную проблему с точки зрения охраны окружающей среды. Основными источниками образования биологических отходов являются города и населенные пункты, сельскохозяйственное производство, деревообрабатывающая и пищевая промышленности.

Общие принципы использования ВИЭ всем понятны, поскольку извлечение энергии из них рассматривается как неоспоримое благо. В числе ВИЭ биотопливо стоит особняком, поскольку биомассу зачастую приходиться культивировать. Поэтому одной из основных задача исследователей заключается в выявлении экономической оправданности и энергетической эффективности использования биотоплива, т.е. какое количество энергии тратится, и какое количество энергии полезно используется, по существу речь идет о коэффициенте воспроизводства энергии (КВЭ), который может стать объективным критерием оценки эффективности энергетической системы [1]. Формула для определения КВЭ применительно к производству биотоплива на 1 га земли за расчетный период, равный 1 году, запишется так:

где - удельная теплота (энергия) полученная от биотоплива за расчетный период ее производства, Дж/(га•год);

- действительные затраты первичной удельной теплоты (энергии) на производство биотоплива за расчетный период, Дж/(га•год).

Действительные затраты теплоты (энергии) определяются по формуле:

где - удельная теплота (энергия), затраченная на получение биотоплива, с учетом коэффициента полезного использования энергии, Дж/(га•год);

- эксплуатационные затраты первичной удельной теплоты (энергии) на технику, удобрения, ядохимикаты и прочее за расчетный период, Дж/(га?год);

- потери первичной удельной теплоты (энергии) на капитальные затраты (строительство объекта по переработке биомассы, монтаж и демонтаж его оборудования), Дж/(га•год);

- прочие затраты первичной удельной теплоты (энергии), Дж/(га•год).

В прочие необходимо включить также затраты труда.

Надо признать, что определить точно потребление теплоты (энергии) по всей технологической цепочке достаточно сложно, особенно затраты труда рабочих. Сложности, возникающие при энергетическом анализе форм труда, были замечены давно. Однако современные методики позволяют в первом приближении произвести энергетический расчет для любых технологических схем.

Если применять энергетический метод расчета, то строительство систем энергоснабжения, использующих возобновляемые источники энергии, будет оправдано только тогда, когда КВЭ будет больше единицы (>1), в противном случае, если < 1, то бессмысленно вкладывать деньги в ее промышленную разработку.

В общем случае, если рассматривать от поля, где выращивается биомасса, до предприятия, на котором производится биотопливо, как некую установку, то ее коэффициент полезного действия определится по формуле:

где - теплота (энергия), которую отпускают внешнему потребителю, Дж/(га*год);

- максимальная теплота (энергия), которую теоретически в среднем может получить 1 га земли в данной районе за 1 год от Солнца, Дж/(га*год).

Для получения топлива из биомассы используют специальные сельскохозяйственные культуры, такие как сахарный тростник, рапс, которые нужно сажать, выращивать, перерабатывать и прочее. В последние годы увлечение некоторых стран выращиванием биомассы для получения топлива привело к повышению цен на зерно, которое стали производить в меньших объемах.

Преобразование солнечной энергии в биомассу связано со значительными энергетическими вложениями из дополнительных источников энергии, не только горючих ископаемых, обеспечивающих работу машин, но затраты связанные с получением удобрений, ядохимикатов, предметов повседневного обихода для сельскохозяйственных рабочих и т.п. При этом в наиболее благоприятных условиях для выращивания специальных сельскохозяйственных культур будут находиться южные регионы, где в течение года можно выращивать несколько урожаев.

Сравнение энергии солнечных лучей и энергии ископаемого топлива, используемого в сельскохозяйственном производстве Флориды, было проведено по данным 1970 года. Так по подсчетам американского исследователя [2] главные энергетические потоки в сельском хозяйстве штата Флорида (США) с общей посевной площадью около 15 млн. акров в триллионах условного топлива в год выглядят следующим образом. С одной стороны: горючее ископаемые и прочее плюс продукты потребления и услуги в городе составили 30; солнце, земля и прочее составили 4,5. С другой стороны сельское хозяйство Флориды дало 35. Из чего следует, что энергия ископаемого топлива в современном сельском хозяйстве значительно превышает энергию Солнца - 30 против 4,5 в сопоставимых единицах.

Если произвести расчет по формуле (1), записав ее для произвольной площади, то получим:

В последнее время во всем мире наблюдается тенденция к росту энергопотребления. Насущной необходимостью становится переход к устойчивому развитию энергетики на основе энергосбережения и эффективного использования новых и возобновляемых источников топлива и энергии.

Основные преимущества ВИЭ - перспектива сохранения запаса энергоресурсов для будущих поколений при минимизации загрязнения атмосферы, энергетическая независимость. За 30 лет практического использования энергии возобновляемых источников в мире ее объем ежегодно увеличивается. Возобновляемые источники обеспечивают 19% производства мировой энергии.

Для создания автономной альтернативной энергоустановки могут быть использованы следующие способы:

- превращение солнечного излучения в электричество с помощью фотоэлементов различного типа;

- использование геотермальных источников с помощью тепловых насосов; энергоустановка газ альтернативный

- использование энергии ветра на ветряных электростанциях;

- применение биогазовых установок.

Анаэробное метановое сбраживание навоза и других отходов сельскохозяйственного производства, позволяет получать биогаз (смесь газов: метан СН4 (до 60-80%), углекислый газ (диоксид углерода) СО2 (до 40%) , H2S сероводород (около 0,2%), O2 кислород (около 0,2%) и H2 водород (около 3%)) и ценное органическое удобрение с повышенной биологической активностью, либо белково-витаминные концентраты для обогащения ими кормов. Такая переработка навоза - наиболее эффективное природоохранное мероприятие, обеспечивающее его дезодорацию, снижение загрязнения почвенного покрова, водных ресурсов и атмосферы загрязняющими веществами и патогенной флорой.

Применение биогазовых установок, как альтернативных источников энергии во многом определяется ее конструктивными характеристиками и отработанными технологическими режимами. Для решения данных вопросов требуется разработка опытных лабораторных установок и проведение лабораторных испытаний.

В лаборатории кафедры «Энергообеспечение предприятий» КБГСХА им. В.М. Кокова проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке и оптимизации режимов работы биогазовой установки для сельскохозяйственных предприятий [4].

Получено уравнение нелинейной множественной регрессии второго порядка, представляющее собой математическую модель зависимости выхода биогаза от температуры сбраживания, влажности исходного сырья и длительности переработки помета. Эта модель имеет экстремум. Координаты точки экстремума определяют оптимальный режим работы биогазовой установки.

Установлена высокая степень адекватности математической модели и результатов экспериментальных исследований. Установлена достоверная взаимосвязь между результатами теоретических и экспериментальных исследований.

На основе результатов проведенных исследований изготовлена опытная биогазовая установка. Метантенк установлен на металлических опорах, обеспечивающих свободный доступ к выгрузному устройству. Поддержание температуры обеспечивается газовым котлом. Газ на подогрев подводится из газгольдера. Через загрузочное устройство исходная масса поступает в бродильную камеру метантанка, где протекает процесс анаэробного сбраживания. После первой загрузки происходит ежесуточная загрузка исходной массы в камеру метантанка.

Для обеспечения взрывобезопасности установки нами разработаны отсекатель пламени и специальный гидрозатвор. Отсекатель состоит из металлического цилиндра, внутренний объем которого наполнен металлической стружкой.

Гидрозатвор состоит из V-образной стеклянной трубки, наполненной на 0,3 объема водой. Газгольдер к установке разработан и изготовлен поплавкового типа. В отличие от известных, предлагаемый газгольдер имеет гораздо меньший начальный объем. Это достигается специальным размещением вкладываемых друг в друга емкостей.

Гидрозатвор, которым снабжен газгольдер одновременно выполняет роль конденсатора влаги.

При установленных оптимальных значениях основных параметров технологического процесса сбраживания птичьего помета в изготовленной нами биогазовой установке (температура сбраживания 540С, влажность исходного сырья 90%, длительность переработки помета 263 ч (11 дней) выход биогаза составляет 0,67 м3/кг.

Оптимальные дозы биоорганического удобрения БУМ-1 под томат и огурец при локальном внесении составляли на уровне 100…125 г в расчете на одно растение.

При внесении оптимальной дозы биоорганического удобрения содержание нитратов в плодах было ниже гигиенических нормативов качества и безопасности продовольственного сырья.

Обобщение результатов научных исследований по агроэкологической оценке биоорганического удобрения БУМ-1 показывает, что он является высокоценным и экологически безопасным органическим удобрением. Содержит в своем составе необходимые для растений макроэлементы. С каждой тонной биоорганического удобрения БУМ-1 вносится 38-40 кг NPK.

Биоорганическое удобрение БУМ-1 содержит также медь, цинк, кобальт, другие необходимые для растений микроэлементы. В то же время содержание тяжелых металлов в биоорганическом удобрении БУМ-1 невысокое, не превышает допустимых значений для почв. Биоорганическое удобрение БУМ-1 положительно характеризуется и с санитарной стороны, т.к. не содержит жизнеспособных семян сорняков, гельминтов и патогенной микрофлоры.

При внесении в почву или грунт биоорганическое удобрение БУМ-1 в оптимальных дозах улучшает их агрохимические и биологические свойства, повышает урожайность и качество овощных культур. Получаемая при этом растительная продукция содержит меньше нитратов по сравнению с сырым птичьим пометом и минеральными удобрениями.

1. Темукуев, Т.Б. Энергетические методы оценки себестоимости тепловой и электрической энергии [Текст] / Т.Б. Темукуев.- Нальчик: Полиграфсервис и Т, 2007. - 84 с.

4. Хамоков, М.М. Разработка и испытание биогазогумусной установки для фермерского хозяйства [Текст] / М.М Хамоков, А.Г. Фиапшев // Материалы международной научно-практической конференции «Обеспечение и рациональное использование энергетических и водных ресурсов в АПК».- М., 2009.- С. 77-83.

Размещено на Allbest.ru