Розробка установки для отримання біогазу з органіки



Резервуар у вигляді викопаної в ґрунті траншеї дозволяє обробляти велику кількість субстрату. Як будівельний матеріал для стінок реактора використовують, як правило, бетон.

Значного поширення отримали траншейні біогазові установки (рисунок 2.5). Із приміщення, де утримують худобу, гній, розбавлений водою, надходить в біогазовий реактор, в якому відбувається бродіння. В установці передбачені механічне перемішування субстрату та грейфер для вивантаження збродженого гною.

Рисунок 2.5 Траншейна біогазова установка: 1 - еластичний збірник біогазу; 2 - плити із пінопласту; 3 - бродильна камера; 4 - нагрівач (бойлер)

Особливу увагу привертають еластичні реактори (рисунок 2.6), які широко використовуються в країнах Південно-Східної Азії.

Рисунок 2.6 Еластичний біогазовий реактор

Подібні реактори (ємності) виготовляють із міцної прогумованої тканини або із синтетичної плівки. Для організації роботи таких біогазових реакторів їх доводиться або заглиблювати в ґрунт, або розміщувати всередині досить міцного огородження.

Необхідними умовами для перероблення органічних відходів всередині реактора біогазової установки є [33]:

? створення безкисневого режиму;

? дотримання температурного режиму;

? доступність поживних речовин для бактерій;

? вибір оптимального часу бродіння та своєчасне завантаження і вивантаження сировини;

? дотримання кислотно-лужного балансу;

? дотримання співвідношення вмісту вуглецю і азоту;

? правильна пропорція твердих частин в сировині та перемішування;

? відсутність інгібіторів процесу.

Класифікацію факторів оптимізації напрямків процесу анаеробного бродіння наведено на рисунок 2.7 [34].

Рисунок 2.7 ? Класифікація факторів оптимізації напрямків процесу анаеробного бродіння

Біогазова установка, що добре функціонує, приносить ряд переваг своєму власнику, суспільству та навколишньому середовищу в цілому.

Серед них:

? можливість економити кошти, що раніше витрачалися на паливо та електроенергію;

? економія коштів, які витрачаються на купівлю добрив та гербіцидів;

? можливість отримання додаткових коштів:

? продаж біогазу та біопалива;

? додаткові кошти при підвищенні врожайності сільськогосподарських культур за рахунок застосування біодобрив;

? додаткові кошти при розведенні худоби та птахів за рахунок кормових добавок із переробленої сировини;

? швидка окупність установок:

? біогазова установка з підігрівом сировини будь-якої потужності окупиться приблизно за рік експлуатації;

? зменшується ризик респіраторних та очних захворювань за рахунок очищення повітря в результаті зменшення кількості органічних відходів в місцях їх складування;

? покращується епідеміологічна обстановка внаслідок загибелі частини мікроорганізмів, що містяться у відходах;

? покращується стан здоров'я за рахунок отримання екологічно чистої сільськогосподарської продукції при використанні екологічно чистих добрив;

? економія часу, місця та виробничих потужностей:

? економія часу, що витрачається на збирання, транспортування, сушіння палива та місця, яке воно займає;

? економія часу при використанні біодобрив, що витрачається на прополку бур'яну, який вноситься із звичайним гноєм, оскільки його насіння гине під час процесу бродіння в реакторі біогазової установки;

? екологічна вигідність:

? зменшення викидів метану в атмосферу (парникового газу), який утворюється при зберіганні гною під відкритим небом;

? зменшення викидів вуглекислого газу та продуктів згоряння вугілля, дров та інших видів палива;

? зменшення забруднення повітря азотистими сполуками, що мають неприємний запах;

? зменшення забруднення водних ресурсів гнійними стоками;

? збереження лісів від вирубування;

? зменшення використання хімічних добрив.

Отриманий біогаз в процесі анаеробної ферментації починає скупчуватися в верхній частині реактора, створювати надлишковий тиск та змінювати протікання реакції отримання нового біогазу [5]:

(2.1)

Коли тиск досягне певного критичного значення, розчинні у субстраті водень та вуглекислий газ будуть ще краще розчинятися у воді, таким чином не вступаючи в реакцію утворення біогазу. Тому для подальшого протікання процесу вироблення та акумулювання біогазу необхідно використовувати певні резервуари ? газгольдери. Споживання біогазу має сезонну і добову нерівномірність. Найбільше його використання в зимовий та перехідний період, а протягом доби - зранку, в обідню пору та надвечір. Спалювати надлишковий газ в періоди його перевитрати і знижувати енергоспоживання в час недостатнього вироблення є нераціональним. Для акумулювання біогазу використовують декілька типів газгольдерів:

? підземний резервуар, що утворився природним шляхом або внаслідок виробничої діяльності людини - шахти, копальні, ями тощо. Даний тип газгольдерів потрібно влаштовувати в газонепроникних ґрунтах або в газопроникних, що обмежені пластами газонепроникних;

- газгольдер абсорбційного типу. В такому газгольдері метан під тиском розчиняється в пропан-бутані. При такому способі запасають в шість разів більше, ніж при аналогічному тиску в ємностях;

- криогенний газгольдер. В даному газгольдері за рахунок наднизьких температур (мінус 161°С) біогаз і його компоненти переходять при нормальному тиску в рідкий стан, при цьому об'єм його зменшується приблизно в 600 разів;

- газгольдер високого тиску використовується в промисловості при великих обсягах вироблення біогазу. Дозволяє зберігати велику кількість газу при незначних об'ємах газгольдера. Зберігання відбувається при тиску 1 МПа;

- газгольдер низького тиску використовується при зберіганні невеликих об'ємів газу, може мати форму дзвона, кулі, циліндра.

На рисунок 2.8 зображено основні типи газгольдерів для зберігання біогазу.

Рисунок 2.8 - Основні типи газгольдерів: а ? газгольдер - порожнина у землі; б - газгольдер для зрідженого газу; в - циліндричний газгольдер високого тиску; г - газгольдер низького тиску

Вибір газгольдера для зберігання біогазу необхідно здійснювати за критеріями вартості, економічності у використанні, необхідного об'єму тощо. У малих фермерських господарствах буде доцільним обмежитись газгольдерами низького тиску, які можна виготовити з цистерн або інших ємностей [8]. У промисловості вибір газгольдера може обмежуватися лише специфічними вимогами до зберігання та подальшого використання.

Потрібно пам'ятати, що біогаз - це отруйний газ, що може викликати отруєння людини при його протіканні з газгольдерів назовні. Окрім отруйності небезпеку викликає надлишковий тиск, що може утворитися у газгольдері при відсутності контролю з боку оператора установки. При концентрації метану у повітрі приміщення біля 5…15% утворюється вибухонебезпечна суміш [3]. Тому приміщення, де знаходяться газгольдери, повинні відповідати вимогам пожежної безпеки, бути обладнані вентиляцією. Система газопостачання повинна складатися з таких елементів: пристрій від зворотного полум'я, редуктор, комплекс очищення біогазу від домішок, газоаналізатор, що зв'язаний з відсікаючим клапаном. Неочищений біогаз має велику корозійну здатність, тому металеві газопроводи необхідно періодично перевіряти на герметичність.

Перемішувальні пристрої для інтенсифікації теплообмінного процесу анаеробного бродіння. Для збільшення виходу біогазу в результаті анаеробного бродіння субстрату в біогазовій установці широко застосовується процес перемішування суміші. Перемішування інтенсифікує процеси всередині біореактора та запобігає утворенню осаду і плаваючої кірки на поверхні біомаси, що призводить до збільшення утворення біогазу із органічних відходів, а, отже, і до зростання ефективності біогазової установки. Відомо механічне, гідравлічне і аеродинамічне перемішування сумішей. Найбільш перспективним устаткуванням для інтенсифікації процесу анаеробного бродіння субстрату є біореактори із механічним перемішуванням [13].

Механічне перемішування сумішей здійснюється лопатевими, пропелерними, турбінними та спеціальними мішалками. Класифікацію перемішувальних пристроїв для біогазових реакторів наведено на рисунок 2.9. Турбінні мішалки оснащено лопатями, і вони мають чітко окреслений ротор. Залежно від способу кріплення лопатей і їх конфігурації в анаеробній біоконверсії зустрічаються різні типи турбінних мішалок. Найбільш простою та одночасно високоефективною є мішалка з прямими радіально розміщеними лопатями. Плоскі лопаті можуть бути нахилені під певним кутом відносно площини обертання мішалки для кращого перемішування субстрату. Пропелерні мішалки вважаються найбільш ефективними в тих випадках, коли необхідно створити значну циркуляцію субстрату в біогазовій установці при мінімальній витраті механічної енергії. Вони виконують цю задачу краще, ніж мішалки іншого типу, наприклад, турбінні. Пропелерні мішалки створюють осьову циркуляцію органічних відходів всередині реактора за рахунок насосного ефекту, тому вони легко піднімають тверді частинки з його дна.

Використання дискових та скребкових мішалок в процесах біоконверсії є неефективним, тому майже не застосовується.

Рисунок 2.9 Класифікацію перемішувальних пристроїв для біогазових реакторів

Лопатеві мішалки почали першими використовуватись в системах біоконверсії та в хімічній промисловості взагалі. На сьогодні вони використовуються у тих випадках, коли немає необхідності в інтенсивній радіально-осьовій циркуляції органічної суміші в біогазовій установці. Основною перевагою лопатевих мішалок є їх простота та низька вартість.

Якірні та рамні мішалки вирізняються виключно низьким числом обертів. Діаметр таких мішалок наближається до діаметра біогазового реактора, а зазор між лопаттю та стінкою реактора є незначним. Таким чином, у випадку застосування цих мішалок можна уникнути місцевого перегріву субстрату чи виникнення осаду на дні реактора.

Шнекові мішалки працюють за тим принципом, що і пропелерні, але при менших числах обертів. Вони застосовуються для перемішування сумішей значної в'язкості, зокрема для органічного субстрату всередині біогазової установки. В цьому випадку вони затрачають менше енергії, ніж пропелерні мішалки для створення однакової циркуляції субстрату в біореакторі.

Конструкції біогазових установок з інтенсифікацією анаеробного бродіння шляхом перемішування субстрату

Запропоновано біогазові реактори з різними конструкціями мішалок, а саме з лопатевим перемішувачем, із шнековим перемішувачем, із вертикальною пропелерною мішалкою.

Біогазовий реактор [38] містить резервуар 1, який зверху накритий каркасом теплиці 8 (рисунок 2.10). Всередині резервуара 1 розміщений лопатевий перемішувач 9, що служить для перемішування біомаси. На валу 2 лопатевого перемішувача 9 закріплений підігрівач біомаси 3. Над лопатевим перемішувачем 9 змонтована захисна газорозподільна решітка 7, над якою влаштований штуцер відведення біогазу до труби споживача 4. Під лопатевим перемішувачем 9 розміщене дно 10, яке шарнірно прикріплене до корпусу 1 з можливістю опускання вниз. Наверху конструкції міститься бункер завантаження біомаси 5 з шиберною засувкою 6.



Рисунок 2.10 ? Біогазовий реактор з лопатевим перемішувачем

Біогазовий реактор [29] працює за таким принципом. Біомаса завантажується через бункер завантаження біомаси 5 та рухається всередину конструкції крізь шиберну засувку 6 у резервуар 1. На підігрівачі біомаси 3 суміш нагрівається та за допомогою лопатевих перемішувачів 9 змішується та рівномірно прогрівається. З резервуара 1 утворений біогаз, рухаючись через захисну газорозподільну решітку 7, виходить крізь штуцер відведення біогазу до труби споживача 4. Дно 10 опускається вниз і біодобриво видаляється.

Шнековий перемішувач надає біогазовому реактору більшої продуктивності за рахунок рівномірності прогріву (рисунок 2.11). Пристрій містить резервуар 1, який зверху накритий каркасом теплиці 8. Всередині резервуара 1 розміщений шнековий перемішувач 9, що служить для перемішування біомаси. Всередині валу 2 шнекового перемішувача 9 закріплений підігрівач 3. Над шнековим перемішувачем 9 змонтована захисна газорозподільна решітка 7, над якою влаштований штуцер відведення біогазу до труби споживача 4. Під шнековим перемішувачем 9 розміщене дно 10, яке шарнірно прикріплене до корпусу 1 з можливістю опускання вниз. Наверху конструкції міститься бункер завантаження 5 з шиберною засувкою 6.

Рисунок 2.11 Біогазовий реактор із шнековим перемішувачем

Біореактор містить резервуар 1, який зверху накритий каркасом теплиці 8. Всередині резервуара 1 на валу 2 розміщена вертикальна пропелерна мішалка 9, що служить для перемішування біомаси. Всередині валу 2 встановлений підігрівач біомаси 3. Над вертикальною пропелерною мішалкою 9 змонтована захисна газорозподільна решітка 7, над якою влаштований штуцер відведення біогазу до труби споживача 4.

Біореактор працює таким чином [12]. Біомаса завантажується через бункер завантаження 5 та рухається всередину конструкції крізь шиберну засувку 6 у резервуар 1. Завдяки підігрівачу 3 біомаси суміш нагрівається та за допомогою шнекового перемішувача 9 змішується й рівномірно прогрівається. З резервуара 1 утворений біогаз, рухаючись через захисну та газорозподільну решітку 7, виходить крізь штуцер відведення біогазу до труби споживача 4. Дно 10 опускається вниз і біодобриво видаляється.

2.2 Оптимізація роботи біогазових установок

біогазовий установка метантенк енергія

Комплекс організаційно-технологічних і технічних заходів, спрямованих на забезпечення рентабельного ведення біогазового виробництва. Для оптимізації потрібна інформація про хімічний склад гнойової або іншої біомаси і про кількість її протягом дня і року. Від однієї корови масою 500 кг за добу з гноєм дістають 4,8 кг сухої органічної речовини, з якої утворюється 1,0--2,4 м³ біогазу. Еквівалентний об'єм біогазу мають з гною, що надходить протягом доби від дев'яти свиней на відгодівлі (живою масою 60 кг) або п'яти свиноматок. Для виробництва біогазу використовують також відходи рослинництва [16,17].

При виробництві біогазу потрібна оптимізація співвідношення С : N. Цей параметр коригують внесенням в утилізовану біомасу відходів з високим вмістом азоту, наприклад, курячого посліду або гною свиней.

Інтенсивність метаногенезу залежить від величини рН гною. При використанні дезинфікуючих препаратів, засобів, виготовлених на-основі лужних речовин, рН гною підвищується до 8,0--8,5. Є приклади, коли рН гною на свинарських комплексах було нижчим 7,0. При використанні в БГУ курячого посліду токсичність виникає внаслідок підвищеного вмісту в поживному середовищі аміаку. Оптимізації середовища досягають додаванням подрібненої біомаси з високим вмістом вуглецю. Кращою складовою для поліпшення співвідношення С : N є солома.

Оптимізація роботи БГУ включає і визначення джерел використання біогазу. Енергія біогазу може бути-використана як для утилізації гною та задоволення потреб тваринницького комплексу, так і з іншою метою. Графік підключення споживачів біогазу є важливою умовою оптимізації роботи БГУ. Найефективнішим є використання біогазу для виробництва електроенергії. Тепло, яке утворюється в процесі трансформації енергії біогазу в електричну, використовують для підтримання температурного режиму в біореакторі, для підігрівання води та інших потреб. Найбільш рентабельною вважається заміна мазуту на біогаз, оскільки добута з біогазу енергія приблизно на 30 % дешевша. Діоксид вуглецю, що міститься в біогазі, доцільно використовувати як консервант кормів і для підвищення ефективності фотосинтезу в теплицях. Зменшення вмісту вуглецю в шламі супроводжується зміною співвідношення С : N у бік зменшення. Наявність калію і фосфору надає шламу властивостей високоякісного добрива, в якому поживні речовини містяться в доступній для рослин формі і співвідношенні. Внесення в ґрунт шламу, який не має специфічного запаху, доцільне і з екологічної точки зору [19].

Надосадова рідина також не має неприємного запаху. У цій рідині вміст органічних речовин на 80 % менший, а її біологічна потреба в кисні на 80 % нижча, ніж до анаеробної ферментації. За санітарно-гігієнічними показниками надосадову рідину можна спустити в каналізаційну мережу чи водоймища, хоч це суперечить ідеї безвідхідного виробництва. Рентабельність виробництва біогазу підвищується, якщо надосадову рідину використовують як поживне середовище для вирощування гідробіонтів, які потім можна ввести в раціони сільськогосподарських тварин або використати їхню біомасу для виробництва біогазу. При цьому ще раз слід звернути увагу на великі втрати азоту при аеробному розкладанні біомаси. Так, з 37 кг азоту, що міститься в гної, після аеробної обробки його в грунт повертається лише 12--15 кг, тоді як при анаеробній ферментації в грунт надходить 36 кг (В.В. Алексеев, М.Я. Лямин, 1985) [31].



3. Конструкторська частина

3.1 Обґрунтування необхідності розробки нової конструкції біогазової установки

Складне становище сільськогосподарських підприємств в Україні, земельна реформа, початок світової економічної кризи, призвели до різкого збільшення кількості невеликих фермерських господарств. В зв'язку з цим основна кількість продукції ВРХ, свиней виробляється даним сектором агропромислового комплексу. Тваринництво є високовартісним виробництвом, і потребує значних затрат економічних та трудових ресурсів. В зв'язку з цим виникла потреба в пошуках способів економії. Одним зі шляхів здешевлення продукції тваринництва, є переробка відходів тваринництва на біогаз.

Біогаз - це суміш газів (переважно метану і вуглекислого газу), отримана біохімічним і мікробіогічним методами переробки біологічної енергетичної сировини.

Біогаз - це газ, який приблизно на 60% складається із СН4 і на 40% - із вуглекислого газу (СО2). Отримують біогаз в результаті процесу так званого гниття або без кисневого бродіння, що йде за ланцюгом харчування [40].

За прогнозом Мінекономіки, врахованому у Прогнозі економічного і соціального розвитку України на 2012 рік (затверджений постановою Кабінету Міністрів України від 31.08.2011 №907) у 2012 році можливі оптимістичний та песимістичний сценарії економічного розвитку України, при песимістичному сценарії зростання ціни імпортованого газу складе 28%, при оптимістичному - 17%.

За даними НАК "Нафтогаз України" у 2011 році середньозважена ціна імпортованого природного газу складе 309 дол. США за 1000 куб. м, при зростанні на 17% у 2012році ціна складе 361,5 дол. США за 1000 куб. м, або 2928,4 грн. за курсом 8,1 гривні за дол. США [41].

Сьогодні ціна газу для частини споживачів в Україні вже приведена до ринкових умов, а в найближчому майбутньому стане такою для всіх споживачів газу. Це створює позитивні економічні передумови для розвитку виробництва біогазу, особливо в сільській місцевості.

Тваринницькі і молочні ферми звичайно споживають велику кількість енергії. Різкий ріст цін на паливо безпосередньо впливає на вартість продовольчих товарів. Використання біогаза дозволяє фермерам відмовиться від дорогого природного палива.

Тому для вирішення існуючих проблем малих фермерських господарств, пропоную розробити біореактор малої ємкості для невеликих сільськогосподарських підприємств і фермерських господарств, який призначений для отримання газоподібного палива (біогаза), теплової і електричної енергії та екологічно чистих високоефективних органічних добрив, які отримують при біотехнологічній переробці всіх видів органічних відходів (гною, посліду, фекально-мочевих стоків, твердих побутових відходів, рослинних рештків) ферми ВРХ, свиноферми, або птахофабрики. Об'єм біореактора 10 м³.

Виходячи з характеру процесу бродіння та його технології, до реактора ставлять в загальному випадку такі вимоги [42]:

- абсолютна герметичність стінок, що перешкоджає газообміну;

- непроникність для рідин;

- збереження міцності у статичному стані при впливі власної сили тяжіння і маси завантаженого субстрата;

- досконала теплоізоляція;

- корозійна стійкість;

- надійність завантаження і розвантаження;

- доступність внутрішнього простору для обслуговування.



3.2 Визначення технічної характеристики метантенка

1. Визначення добового обсягу завантаження метантенка [43].

(3.1)

де = 10 м³ - об'єм бродильної камери метантенка;

= 7% - добова доза завантаження для мезофільного процесу;

= 0,9 - коефіцієнт заповнення камери.

м³/добу

2. Визначаємо добовий об'єм гною, що може переробляти метантанк, за видами тварин.

, (3.2)

де - відносна вологість гною, який виходить з ферми;

= 90% - відносна оптимальна вологість гною;

- добовий вихід гною на фермі;

- добовий обсяг завантаження метантенка гноєм;

, (3.3)

де = 980 кг/м³ - щільність гною ВРХ при оптимальній вологості.

Розрахунок будемо проводить для тварин трьох видів: корів, свиней, та курей.

Враховуючи, що вихід екскрементів з одної корови 30-55кг/добу, визначимо кількість тварин, які можуть повністю забезпечити метантенк сировиною:

589,96/55 = 10,7 голів.

Приймемо 11 голів ВРХ.

Враховуючи, що вихід екскрементів з одної свині 5 кг/добу, визначимо кількість тварин, які можуть повністю забезпечити метантенк сировиною:

596,82/5 = 119,4 голів.

Враховуючи, що вихід екскрементів з однієї курки 0,29 кг/добу, визначимо кількість тварин, які можуть повністю забезпечити метантенк сировиною:

507,64/0,29 = 1750.5 штук

3. Вміст сухої речовини у гнойовій біомасі.

(3.4)

4. Кількість органічної речовини в гнойовій біомасі.

(3.5)

5. Обсяг газогенерації, або добовий та річний вихід біогазу.

Добовий вихід біогазу з врахуванням сухої речовини.

(3.6)

де = 30% - стан розкладання органічної речовини;

= 1,3 - коефіцієнт розчинності біогазу;

= 1,17 кг/м³ - питома вага біогазу (при вмісті за об'ємом: метану 65% та діоксиду вуглецю 35%).

м³

м³

м³

Добовий вихід біогазу з врахуванням сухої і органічної речовини.

(3.7)



де = 0,3 - коефіцієнт зброджування органічної речовини, [23];

с = 0,7 - вихід біогазу при зброджуванні 1 кг органічної речовини;

= 80% - вміст органічної речовини.

м³

м³

м³

Річний обсяг виходу біогазу з врахуванням сухої і органічної речовини.

м³

м³

м³

6. Визначення виходу залишкової продукції.

6.1. Вихід твердої фракції (шламу).

(3.9)

де = 98% - вологість рідкої фракції;

= 90% - вологість гною, що завантажується;

= 87% - вологість шламу.

кг;

кг;

кг;

6.2. Вихід рідкої фракції.

(3.10)

кг

кг

кг

6.3. Відповідно річний вихід рідкої і твердої фракції.

кг

кг

кг

(3.12)

кг

кг

кг

7. Визначення виходу товарного біогазу.

7.1. Визначення теплової енергії, необхідної для підігрівання біомаси.

(3.13)

(3.14)

(3.15)

де - різниця температури зброджування і температури вихідного гною;

(3.16)

= 33 °С - температура зброджування при мезофільному процесі;

= +20 °С - температура вихідного гною в середньому в теплий період;

= -10 °С - температура вихідного гною в середньому в холодний період;

°С

°С

МДж

МДж

МДж

7.2. Визначаємо кількість біогазу необхідного для підігріву біомаси.

(3.17)

де q = 22 МДж/м³ - чиста теплотворна здатність біогазу;

м³

7.3. Частка біогазу, необхідного для підігріву гною.

(3.18)

7.4. Максимально-теоретичний коефіцієнт виходу товарного біогазу.

(3.19)

7.5. Визначення виходу товарного біогазу.

(3.20)

м³

м³

м³

3.3 Конструкційний розрахунок метантенка

Найважливішим елементом біогазової установки є метантенк. Від його конструкції залежить продуктивність й економічна ефективність всієї установки [44-46].

Для вибору форми, розмірів і конструкції реактора вирішальну роль грають такі фактори, як:

- масова витрата субстрата при заповненні;

- заданий вихід газу або ступінь зброджування субстрата як функція від концентрації сухих речовин, завантаження робочого простору, часу циклу зброджування та інтенсивності перемішування;

- система виробництва;

- рівень механізації.

Ці фактори визначаються умовами виробництва і цілям технологічного процесу.

Аналіз форм метантенків.

А) Овальна. Достоїнства: найкращі умови для перемішування й відводу опадів, руйнування плаваючої кірки.

Недоліки: висока вартість виготовлення.

Б) Циліндрично-конічна. Достоїнства: забезпечує видалення зверху кірки, знизу - відстояного субстрату (шламу)

Матеріали: сталь, пластмаса, бетон.

В) Циліндрична. Достоїнства: проста технологічність виготовлення.

Недоліки: умови для перемішування струму рідини менш сприятливо, вимагають значних питомих витрат енергії.

Г) Похило-горизонтальне розташування циліндричного метантенка.

Достоїнства: похиле розташування полегшує стікання шламу до вивантажувального отвору, краще заповнення, перемішування.

Недоліки: підземне розташування камери зброджування погіршує теплотехнічні показники.

Матеріали: листова сталь.

Д) Горизонтальне розташування циліндричного метантенка. Достоїнства: дозволяє зброджувати велика кількість субстрату, економія витрат, зручність руйнування кірки.

Недоліки: процес шумування протікає стихійно, безконтрольно, значна тривалість зброджування.

Приймаємо для проекту Циліндрично-конічна форму метантенка.

Габаритні розміри реактора визначаємо, виходячи з ємкості його камери бродіння (10 м³) і форми.

Рисунок 3.1 Схема форми реактора

Визначаємо об'єм камери бродіння реактора, як суму об'ємів двох простих геометричних тіл (циліндра і конуса).

(3.21)

З конструкторських міркувань (зручність завантаження, форма оптимального поперечного перерізу, простота виготовлення) визначимо співвідношення між геометричними розмірами:

H: D = 4:3

H - h = H/4

h = 3H/4

d = 0,5 м

Врахувавши, що = 10 м³, H = x і підставивши визначені вищі співвідношення у формулу (3.20), отримаємо рівняння 3-го степеня:



(3.22)

Знаходимо вирішення даного рівняння x = 2,733 м.

Звідси визначаємо геометричні розміри камери бродіння реактора:

x = H = 2,733 м;

D = 3 · 2,733/4 = 2,05 м;

H - h = 2,733/4 = 0,683 м;

h = 2,05 м.

Приведемо геометричні розміри камери бродіння до нормальних лінійних розмірів ГОСТ 6636-69 H = 2,8 м, D = 2 м, H - h = 0,71 м, h = 2 м.

Визначення повної висоти реактора, [1].

(3.23)

м

Для теплоізоляції застосовуємо мати зі скляного штапельного волокна.

Матеріалом для виготовлення основного корпуса - листова сталь.

Проведемо розрахунок резервуар метантанка.

Визначимо товщину резервуару.

(3.24)

де - розрахунковий тиск, МПа; Максимальний тиск газу в біогазових установках не повинен перевищувати 0,5 МПа, отже МПА.

Д - діаметр апарата, м, приймаємо з креслення.

- допустиме напруження, МПа; МПа

- коефіцієнт міцності поздовжнього звареного шва ( =1);

- збільшення до розрахункової товщини обичайки на компенсацію корозії;

- додаткове збільшення.

Коефіцієнт міцності поздовжнього звареного шва приймаємо =1 для стикових і таврових з'єднань, виконуваних автоматичним електрозварюванням.

Збільшення на компенсацію корозії визначаємо за формулою:

(3.25)

де П - проникливість матеріалу, П=0,0001 м.

- прийнятий термін експлуатації апарата, р;

м

Додаткове збільшення приймаємо для округлення до стандартної, отриманої при розрахунку товщини листа, з якого виготовляють стінки метантенка. Стандартні товщини листків вибирають за нормативною літературою.

м.

Приймаємо значення товщини стінки з стандартного ряду рівним м [37].

3.4 Конструювання складових елементів метантенка

Нагрівальні прилади [43].

Щоб отримати необхідну для процесу бродіння температуру і по можливості підтримувати її на постійному рівні, слід передусім підігріти субстрат, що подається в реактор, до потрібної температури. Додаткове підведення теплоти необхідне для компенсації теплових втрат. У принципі теплоту можна підводить до субстрату в робочий простір реактора або до живлячого його пристрою. Оскільки перепади температури негативно впливають на хід біологічного процесу, необхідно по можливості об'єднати підведення теплоти з інтенсивним перемішуванням. Крім того, у системі підведення теплоти необхідно передбачити, щоб на поверхнях теплопередачі не могли відкладатися тверді частинки, що містяться в субстраті (тому рекомендується, наприклад, високі швидкості руху субстрату відносно поверхонь теплопередачі) або щоб ці поверхні легко очищувалися. А це вже досить складне конструкторське рішення. І ще дуже важливо, на роботу теплообмінника не повинна впливати наявність у субстраті твердих матеріалів (наприклад, стебел соломи, пір'я, шерсті).

Пропоную застосувати у розроблюваній конструкції метантенку підігрів у робочому просторі. Для невеликих реакторів з перемішуючими пристосуваннями цілком підходять теплообмінні нагріваючи агрегати (наприклад шланги, циліндричні або плоскі теплообмінники), крізь які прокачується гаряча вода t ? 60 °C та які можна виймати з реактора при його очищенні. Саме циліндричний теплообмінник, у вигляді спіральної трубки використовуємо у проектному реакторі.

Пристосування для змішування субстрату.

Постійний рівномірний розподіл і переорієнтація рідини, твердих речовин, що знаходяться в ній. Ці речовини різні за формою, розмірами і щільністю, служать передумовою безперешкодного та ефективного протікання процесу бродіння.

Механічні перемішуючі пристосування.

Використання обертаючих змішуючих пристосувань ставить високі вимоги до форми реактора, якщо повинні бути забезпечені, необхідні для зменшення утворення осаду та плаваючої кірки швидкість перемішування і турбулентність, яка необхідна для інтенсивного перемішування субстрату у всіх зонах реактора. Тому такі змішувачі можуть ефективно та з допустимою витратою енергії використовуватися лише в невеликих реакторах при взаємодії на важкі субстрати. Для простих невеликих установок з незначним виходом газу механічні змішувачам, які в деяких випадках можуть приводитись вручну, являють собою просте вирішення.

Застосуємо шнекову мішалку,що приводить в дію електродвигуном.

3.5 Опис схеми біогазового реактора

Після визначення всіх складових частин біогазового реактора можна скласти його схему (рисунку 3.2).

Мікробіологічний реактор служить для метанового зброджування безпідстилкового гною і являє собою резервуар, який складається з верхньої циліндричної і нижньої конічної частини (див. рисунок 3.2). Робочий об'єм реактора 10 м³.

Біомаса загружається крізь патрубок завантаження 3 у реактор, у нижній частині метантенка вона підігрівається спіральним теплообмінником 10, по якому рухається тепла вода. Біомаса змішується шнековим змішувачем 2,4, верхня спіраль якого повинна бути вище рівня субстрату. Змішувач приводиться в рух електродвигуном 13, який включається 1 раз у годину на 5 хвилин, швидкість обертання шнека 2-5 об/хв. В процесі змішування досягається однорідність біомаси і руйнується кірка на її поверхні. Відпрацьований субстрат виходить крізь зливний патрубок 7, також необхідно передбачить наявність резервного патрубка 8, який виконає свої функції у випадку забивання основного. Дно метантенка зробимо зґємним, щоб можна було отримати доступ до його нижньої частини. У центрі дна розташуємо патрубок повного зливу. За температурою біомаси у реакторі і режимами роботи електродвигуна слідкує блок автоматичного керування 15, який отримує дані з датчика температури 14. Біогаз збирається у верхній частині метантенку над біомасою у газовій камері 5. Далі крізь патрубок відбору 6 він переходить у газгольдер. На випадок перевищення допустимого значення тиску запроектуємо у кришці реактора запобіжний клапан 16. Також у кришці метантенка потрібно передбачити технологічні люки 12.

Рисунок 3.2 - Принципова схема мікробіологічного реактора: 1 - корпус реактора, ззовні теплоізольований; 2 - змішувач; 3 - патрубок завантажувальний; 4 - шнек; 5 - газова камера; 6 - патрубок відбору; 7 - зливний патрубок; 8 - резервний патрубок; 9 - патрубок повного зливу; 10 - теплообмінник; 11 - з'ємне дно реактора; 12 - кришка реактора; 13 - електродвигун; 14 - датчик температури; 15 - блок автоматичний блок керування; 16 - запобіжний клапан; 17 - опора реактора

3.6 Потреби метантенка у енергії

Теплота

Витрати теплоти складаються з витрат на підігрівання субстрату та компенсації теплових втрат.

Витрати на підігрівання субстрату біомаси визначені в розділі 3.2.

Теплові втрати в реакторі визначаються:

- різницею між температурою маси, що зброджується, і характерною для кожного конкретного випадку зовнішньою температурою окремих поверхонь реактора;

- величиною поверхонь контакту субстрату та зовнішнього повітря, субстрата та гранта, газа у просторі над зоною бродіння і зовнішнього повітря;

- коефіцієнтом теплопередачі матеріалу тої чи іншої стінки;

- коефіцієнтом теплопередачі на поверхні контакту між окремими середовищами;

- товщина окремих шарів стінок.

Так як із збільшенням розмірів реактора зменшується відношення площі його поверхні до об'єму, втрати теплоти у більш крупних реакторах, по відношенню до одиниці об'єму будуть нижче. Значення добових втрат теплоти для реактора малого класу складають 20%, [25].

(3.26)

МДж

Загальна потреба у теплоті для біогазової установки визначається головним чином витратами на підігрів субстрату до температури бродіння. Потреба у теплоті для компенсації втрат може бути знижена на декілька відсотків шляхом застосування відповідної ізоляції.

Механічна енергія змішування

Потреби у енергії, яка витрачається на перемішування субстрату залежить:

- від необхідного степеня змішування;

- в'язкості субстрату;

- форми і розмірів реактора;

- конструкції, величини, експлуатаційних характеристик та розташування змішувача.

Попередній розрахунок витрат енергії поки ще не може бути можливим із-за відсутності універсальних кількісних рекомендацій по режимам роботи змішуючих пристосувань в умовах експлуатації сільськогосподарських біогазових установок. З іншого боку дані, що базуються на вимірюваннях або практичному досвіді мають лише обмежене застосування, так як спираються на конкретні умови, які в більшості випадків недостатньо точно визначені.

Для реакторів місткістю до 500 м3 приймають потребу у електричній потужності, рівну 30..60 Вт/м3, при часі включення не менше 4 годин і паузами між робочими циклами не більше 7 годин.

Насоси.

До важливих факторів, що визначають потреби у енергії для привода насосів, відносяться:

- в'язкість субстрату;

- необхідна у кожному конкретному випадку об'ємна подача;

- конструкція насоса;

- переріз, а також число і кривизна колін у трубопроводах.

Так як насоси для перекачки рідкого гною досягли високого технічного рівня, ми маємо в розпорядженні необхідний виробничий досвід і дані по потребам у енергії для різних умов експлуатації, характерних біогазових установок. Це відноситься також до насосів, які обладнанні пристосуваннями для подрібнення волокнистих і соломи стих частинок.

3.7 Розрахунок продуктивності біогазової установки

Ефективність біогазової установки визначається критерієм ступеня розпаду сухої органічної речовини, оскільки від нього залежить відношення СН4 в збродженому гної, отже, і його властивості удобрювачів. Для визначення цього параметра запропонована формула [1]:

(3.27)

де - доза добового завантаження метантенка, %; В нашому випадку приймемо дозу завантаження реактора 325 кг добу, ця доза рівна виході гною з 10 корів. Отже склавши пропорцію доза добового завантаження реактора %.

- густина біогазу, кг/м³; =1,2 кг/м³.

- питомий вихід біогазу, м³/добу приймемо м³/добу.

- густина біомаси, кг/м³, кг/м³.

- вологість біомаси, %, , напіврідкий гній.

- зольность біомаси, %, .

З рівняння 3.25 видно, що шуканий параметр є функцією інтенсивності газовиділення, а вона, у свою чергу, залежить від дози добового завантаження метантенка. Враховуючи, що вихід біогазу визначити без попередніх експериментів неможливо, те визначення ступеня розпаду сухої органічної речовини скрутне. Для визначення об'єму метантенка застосовують формулу:

м³ (3.28)

де - добовий вихід біомаси тварин, т,;

- цикл зброджування, діб ;

- 0,95 - коефіцієнт використовування метантенка;

9,95 м³

Приймаємо об'єм реактора рівним 10 м³.

Стосовно установок для анаеробного зброджування біомаси звичайно застосовують показник - доза добового завантаження, яке знаходиться в прямій функціональній залежності від питомого навантаження на одиницю об'єму реактора. Доза добового завантаження є визначальним параметром, що впливає на ефективність роботи біогазової установки, від якої залежить питомий вихід біогазу з одиниці об'єму зброджуваної біомаси, ступінь розпаду органічної речовини в початковому гної і ступінь знезараження. У свою чергу цей параметр робить вплив на вихід товарного біогазу і об'єм метантенка. Тому деякі дослідники дають просто рекомендації по її величинах, які знаходяться в широких межах і складають від 1 до 20% від об'єму метантенка або 1-10 кг сухої органічної речовини на 1 м³ біомаси на добу.

Одним з основних призначень біогазових установок є отримання біологічного газу, утилізація якого повинна забезпечити отримання додаткової енергії. Не дивлячись на те, що більшість фахівців вважає метаногенез перспективним і прогресивним методом переробки відходів тваринництва, супротивники цього методу виказують побоювання відносно негативного енергетичного балансу установок.

В цьому випадку, як критерій ефективності біогазової установки, може бути прийняте умова отримання товарного біогазу або коефіцієнт витрати енергії на власні потреби установки.

В зв'язку з цим була виконана велика кількість робіт, присвячених вивченню теплофізичних властивостей біомаси, методам його нагріву при підготовці до зброджування, визначенню тепловтрат в процесі зброджування, а також розрахункам енергетичного балансу біогазових установок. Рівняння теплового балансу біогазової установки, має такий загальний вигляд:

(3.29)

де - загальна добова кількість тепла, необхідне для здійснення процесу, кKал;

- кількість тепла, необхідне для попереднього нагріву добової дози початкового біомаси до температури вибраного режиму, кКал

- відповідно втрати тепла в добу: у трубопроводі, сполучаючим установку для нагріву з проміжною місткістю; у проміжній місткості; у трубопроводі, що сполучає проміжну ємність з камерою для зброджування; через стінки камери зброджування; з біогазом, що виділяється, кКал.

Складові цього рівняння визначаються експериментально для кожної конкретної установки.

3.8 Розрахунок шнекової мішалки

Метою розрахунку мішалки є підбір необхідної конструкції мішалки для заданих речовин, а також розрахунок конструктивних розмірів мішалки, визначення її показників; розрахунок мішалки на вигин і опір; розрахунок апарата на міцність у місці перемішування.

Вихідними даними для розрахунку є: діаметр Д і робочі параметри апарата (робочий тиск, температура), його вага (); вид, фізико хімічні властивості (, ) і вага () середовища, що перемішується, а також секундна витрата () і лінійна швидкість () середовища, що протікає через апарат.

Послідовність виконання розрахунку [1]:

Дослідження вітчизняних вчених показали, що оптимальною частотою обертання шнека мішалки біогазових установок є частота від 30 до 100 об/хв.[1]. Тому обираємо частоту обертання об/хв. Діаметр апарата Д =2050 мм, діаметр мішалки обираємо з [2] мм, в'язкість середовища перемішування , густина субстрату .

Визначаємо число Рейнольда:

(3.30)

Визначаємо критерій потужності залежно від критерію Рейнольдса і типу обраної мішалки.

Визначаємо потужність, Вт, необхідну для перемішування, за формулою

(3.31)

де [36]. вказувати в обертах за с.

Розраховуємо номінальну потужність, Вт на валу електродвигуна за формулою:

(3.32)

де - потужність, Вт, що витрачається на тертя:

(3.33)

К.К.Д привода, , приймаємо .

Визначаємо діаметр вала, м перемішуючого пристрою за формулою:

(3.34)

де - розрахунковий крутний момент, .

- допустиме напруження на крутіння для обраного матеріалу валу, МПа.

(3.35)

де - кутова швидкість обертання вала, с^-1.

(3.36)

.

(3.37)

Де - нормативно допустиме зусилля на кручення, МПа, знаходиться по [38], МПа.

Перевіряємо робочий орган на міцність у небезпечному перерізі, з умови роботи його на вигін, за формулами:

(3.38)

де - нормативне напруження на вигін , МПа .

- розрахунковий момент опору відповідно перетину шнека, при вигині її у напрямку обертання, м³, визначається за формулою:

(3.39)

де - товщина шнека, мм. Для шнекових мішалок

(3.40)

де - розрахунковий момент у місці приєднання шнека до маточини, ;

- згинальний момент, , що діє на шнек в місці приєднання його до маточини, обчислені за формулою:

(3.41)

3.9 Умови експлуатації біогазової установки

1) Для біогазової установки вологість завантажуваної маси повинна бути в межах 88 - 95%; тривалість зброджування 20 - 22 дні; щодоби камери завантажуються сирим гноєм в кількості 5% від їх об'єму.

2) При пуску установки в роботу спочатку завантажується одна бродильна камера. Для прискорення процесу зброджування завантаження проводити невеликими порціями.

3) Щоб уникнути забивання трубопроводу, по якому маса випускається з камери зброджування, потрібно не рідше одного разу на рік очищати дно камер від осаду за допомогою спеціальних механізмів.



4. Ефективність біогазових технологій

4.1 Загальна ефективність

Досвід із впровадження технологій метаногенезу в сільськогосподарську практику показує, що в ієрархії ефективності цього метода перше місце займає його екологічний ефект, потім реалізується ефект від отримання високоякісних добрив, і тільки третє місце займає часто недооцінена енергетична складова процесу [47].

Фізико-механічні властивості стоків гною залежать в основному від умов утримання тварин на фермі і способів прибирання гною (механічний, самопливний або гідрозмивний) і змінюються в межах: вологість 76,8-98,3%, зольність 14-22%. Обсяги річних стоків визначаються кількістю тварин, що утримуються, і сягають 44-468 мі на фермах ВРХ і 37-2580 мі у свинарниках. Вихід біогазу залежить від кількості сухої органічної речовини (с.о.р.) у гної і його якісного складу. Максимальний вихід біогазу (в розрахунку на 1 кг с.о.р.) складає: 0,35 мі із гною ВРХ, 0,45 мі із гною молочної худоби; 0,5 мі із свинячого гною і 0,7 мі з пташиного посліду. Якісний склад стоків визначається співвідношенням його компонентів: білків, жирів, вуглеводів, целюлози, лігніну. При високому вмісті лігніну, який практично не розпадається при метановому зброджуванні (що характерно для гною ВРХ на відгодівлі), отримуємо мінімальну кількість біогазу - до 0,35 мі, а при високому вмісті білків, жирів і вуглеводів у вихідному гної - до 0,7 мі біогазу. В установках, що працюють у мезофільному режимі, добовий вихід біогазу складає 1,0 мі, у термофільному режимі - 2,0 мі біогазу з 1 мі робочого об'єму метантенка.



4.2 Енергетична доцільність

Слід зазначити, що біогазові установки з невеликим об'ємом реакторів (до 25 мі) мають негативний енергетичний баланс. І тільки установки з об'ємом метантенка 100 мі і більше, з витриманою технологією зброджування дають енергетичний ефект. Важливою умовою для сприятливого протікання процесу є постійність температури на вибраному рівні, так як будь-які відхилення зменшують метаболічну і репродуктивну активність мікроорганізмів [48].

Проведемо оцінку енергетичного балансу біогазової установки. Відповідно до технології отримання біогазу, показаної на рисунок 4.1, у загальний енергетичний баланс процесу включаються витрати енергії на перекачку гною, починаючи від подачі його в пристрій для попереднього нагрівання, на акумулюючі місткості і метантенк, і закінчуючи вивантаженням збродженої маси у сховище і прокачуванням її через теплообмінники. У кожному конкретному випадку кількість енергії визначається в'язкістю маси, що переміщується, продуктивністю і тривалістю роботи помп, а також характеристиками теплотраси (довжиною і перерізом трубопроводів тощо).

При розрахунку енергетичного балансу біогазової установки враховувались: типорозмірний ряд тваринницьких ферм, їх кількість, кліматичні зони, способи прибирання гною та його кількість, що підлягає переробці, обсяги стоків та їх фізико-механічні властивості, робочі параметри метантенка і вихід біогазу. Суттєвий вплив на енергоємність процесу справляє підтримання постійної температури зброджування всередині метантенка. На енергетичний баланс установки мають істотний вплив природнокліматичні умови розміщення тваринницької ферми.



Рисунок 4.1 - Структурна схема біогазової установки для розрахунку її енергетичного балансу: 1 - гноєприймач; 2 - відокремлювач механічних включень; 3 - теплообмінник; 4 - метантенк; 5 - газовий котел; 6 - підігрівач; 7 - розподільник; 8 - метантенк; 9 - помпа для подачі гною; 10 - водяна помпа; 11 - відбирання твердих включень; 12 - зброджена маса

В основу енергетичної оцінки покладено структурну схему біогазової установки (рисунок 4.1) і параметри робочого режиму метантенка (таблиця 4.1) [49].

Тепловий баланс біогазової установки визначають залежністю:

(4.1)

МДж

де - енергія, отримана з біогазу;

- енергія, що витрачається на нагрівання гною до температури бродіння;

- енергія, що витрачається на компенсацію тепловтрат у навколишнє середовище;

- коефіцієнт, що враховує утилізацію теплоти збродженої маси для нагрівання вхідної сировини в теплообміннику (=0,5);

- коефіцієнт, що враховує тепловтрати з біологічним газом у трубопроводах ( = 1,15).

Таблиця 4.1 Параметри роботи метантенку при мезофільному режимі

Найменування параметру	Стадії процесу
	I (гідроліз)	II (кисле бродіння)	III(метаногенез)
Температура бродіння, °С	15-35	30-37	30-37
Перемішування: кратність, разів тривалість циклу, хв. спосіб швидкість, м/с	1-6 5-30 механічний <0,5	1-6 5-30 механічний <0,5	1-12 5-30 газовий -
Режим завантаження	безперервний
Доза добового завантаження, %	5-15	5-15	5-15

Теплова енергія (МДж), що отримується з біогазу і витрачається на нагрівання гною, розрахована в розділі 3:

Тепловтрати в навколишнє середовище визначаються величиною коефіцієнта тепловіддачі, який, при застосуванні мінеральної вати в якості теплоізоляційного матеріалу, складає 0,3 Вт/(мІ ·К).

На тепловий баланс установки суттєво впливає величина сухої органічної речовини гною, що зброджується [42]. При її вмісті на рівні 20 кг/мі і менше біогазові установки мають від'ємний тепловий баланс у всіх кліматичних зонах при будь-яких режимах бродіння. Найбільш вигідний тепловий баланс мають установки, що переробляють гній з сухою органічною речовиною (СОР) в обсязі 80 кг/мі, у районах з теплим кліматом, що працюють в мезофільному режимі. У цьому випадку частка витрат енергії на власні потреби складає 21,1%.

Таким чином [42], при здійсненні процесу ферментації біомаси у метантенку складові витрат енергії розподіляються на:

- теплові:

- попереднє нагрівання гною - 72%;

- втрати в технологічних трубопроводах - 3,57%;

- втрати в теплоізоляційному прошарку - 14,1%;

- електричні:

- подача гною в нагрівальну установку - 1,16%;

- циркуляція гною в нагрівальній установці - 1,95%;

- завантаження гною в метантенк - 1,16%;

- створення розрідження в нагрівальній установці -1,95%;

- вивантаження збродженого гною - 0,59%;

- переміщування збродженого гною - 3,1%.

Тобто, витрати електроенергії складають 8,91% від загальних.

4.3 Економічна ефективність

Застосування технологій біогазового виробництва, що обумовлене необхідністю опанування нових джерел енергії, навіть в умовах, коли традиційні палива займають домінуюче положення, потрібно обгрунтувати з економічної точки зору. Сьогодні на енергетичному ринку країн Європи, зокрема у Чеській Республіці [49], потенційне використання біогазу може зайняти досить помітну позицію.

Економічна оцінка сільськогосподарської сировини для виробництва біогазу засвідчує, що існує необхідність диференціації її використання. За результатами досліджень Інституту сільськогосподарської техніки (VUZT), доцільним є поділ усієї можливої кількості органічних відходів сільського господарства на три умовних рівні, що у дійсності складають теоретичний, доступний та економічно-вигідний потенціал розвитку технологій метаногенезу (таблиця 4.2).

Отже, економічно-вигідна органічна сировина складає в енергетичному еквіваленті всього 12.1% від теоретично можливої. Звідси, більш реальним (для сільської місцевості у період до 2013 року) буде виробництво енергії з біогазу на рівні 3% від загальної потреби галузі.

Розрахуємо економічну ефективність біогазової установки, до складу якої входить розроблений реактор-метантенк, для ферми великої рогатої худоби на 10 голів.

Вихід гною при стійловому утриманні складає 0,63 м³/добу, вихідна вологість якого 86%, вміст сухої органічної речовини - 89 кг/добу. Добовий вихід біогазу складає 17,6 м³. При енерговмісті біогазу на рівні 23 МДж/м³ енергетичний потенціал відходів ферми можна оцінити в 14 кг умовного палива на добу. Витрати електроенергії для власних потреб становлять 2 кВтгод/добу. Витрати теплоти для власних потреб: узимку 74,5 МДж/добу, улітку - 31,5 МДж/добу. Тривалість теплого періоду приймають рівною 245 діб, холодного - 120 діб.

Капітальні вкладення (К) в біоенергетичну установку для обслуговування ферми на 10 голів ВРХ складають приблизно 79500 грн. Річні експлуатаційні витрати - 7100 грн., складаються з: амортизаційних відрахувань в розмірі 5% від вартості біогазової установки, витрат на ремонтно-технічне обслуговування, заробітної плати в розмірі 500 грн. в місяць для обслужуючого персоналу, інших витрат в розмірі 10% від суми перерахованих витрат.

Таблиця 4.2 - Потенційна сировина для виробництва біогазу в сільському господарстві України (до 2015 р.)

Потенціал використання біогазу	Відходи тварин	Біомаса	Побутові відходи	Всього	ПВ/РМ/ВЕ*
Теоретичний	Сировина, тис. т	30000	6000	2806	38806	1808
	Біогаз, тис. м3	780000	450000	280600	1510600	36300
	Енергія, ПДж	17	10	6	33	1650
Доступний	Сировина, тис. т	10000	3000	1403	14403	680
	Біогаз, тис. м3	260000	225000	140300	625300	20600
	Енергія, ПДж	5,7	5	3	14	690
Економічно-вигідний	Сировина, тис. т	2100	1000	250	4350	160
	Біогаз, тис. м3	61000	75000	25000	187000	6100
	Енергія, ПДж	1,3	1,7	0,6	4	200
ПВ - приведені витрати (млн. дол.), РМ - робочі місця, (шт.), ВЕ - виробництво енергії (ГВт·год./рік)

Грошова виручка від реалізації продуктів переробки біомаси складається з виручки від продажу електроенергії, теплоти і добрив.

При ціні на електроенергію 86 коп/кВтгод грошова виручка від її продажу за рік складе:

(4.2)

Річний вихід твердої фракції складає 170 т, при ціні за 1 т добрив 200 грн., виручка від їх продажу

(4.3)

Загальна річна виручка

Термін окупності біоенергетичної установки

де ЧП - щорічна сума прибутку; А - річні експлуатаційні витрати,

= 79500/(87411.4 - 7100) = 0.98 роки.

Таким чином, при прийнятих вихідних даних біогазова енергетична установка є економічно ефективною.