Развитие солнечной энергии в России Биоэнергетическая технология Проектирование активных систем солнечного горячего водоснабжения Проектирование систем геотермального теплоснабжения Проектирование ветроэнергетических установок

Энергосберегающие технологии

Расчет теоретического расхода энергии в термических, электро- и термохимических и физических, а также в механических процессах, связанных с перемещением материалов (подъемниках, транспортерах, насосах), ведется по известным физическим формулам и не вызывает затруднений. Для механических процессов, где происходит деформация материала (механообработка, дробление, перемешивание и т.п.), рассчитать теоретически необходимые затраты очень сложно, практически невозможно, поэтому они определяются как разница между величинами мощности, потребляемой установкой под нагрузкой и на холостом ходу.

Биоэнергетическая технология. Биогазовые технологии – радикальный способ обезвреживания и переработки разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения, включая экскременты животных и человека, с одновременным получением высококалорийного газообразного топлива – биогаза и высокоэффективных экологически чистых органических удобрений. Биогазовые технологии – это решение проблем экологии, энергетики, агрохимии и капитала.

Процесс получения биогаза известен очень давно: в Китае – более 5 тыс. лет, в Индии – более 2 тыс. лет. Современные биогазовые технологии широко используются как в развитых (Дания, Германия, Англия, Франция, Италия, Австрия и др.), так и развивающихся странах (Китай, Индия, Индонезия, страны Южной Америки, некоторые страны африканского континента).

У нас в стране (и в бывшем СССР) работы по развитию биоконверсии почти не велись до настоящего времени. Хотя биоконверсия может оказаться полезной, а подчас спасительной при решении 3-х основных современных проблем:

экологической;

продовольственной (получения высококачественных удобрений);

энергетической (получения топлива).

Устойчивое получение CH4 бактерии (метаногены) превращает значительную часть органического субстрата в ценное топливо. К параметрам устойчивого получения CH4 относятся:

механико- и физикохимическая характеристика сырья; время удерживания бродящего субстрата в реакторе;

скорость и характер замены сырья в реакторе;

объем рабочего реактора по органическому веществу;

положение бактериальной системы в реакторе – свободное, закрепленное, закреплённо-подвижное;

соотношение объема расщепления биополимеров и образования летучих ЖК и объема их конверсии в СН4.

У нас в стране животноводство и птицеводство – нетронутый источник электроэнергии. Одного навоза 560 млн т/год. Для его переработки потребуется 30 тыс. биоустановок с V реакторов 250-300 м3 и 5-суточной экспозицией сбраживания.

Кроме биогаза можно получать высококонцентрированное обеззараженное органическое удобрение без запаха, с влажностью 65-70 %. Процесс метанового сбраживания – за счёт совершенствования конструкции менантенков, использования активных заквасок, максимального исключения тепловых потерь, использования раздельного способа сбраживания и т.д. Проблема в том, что для сгущения навоза нужны центрифуги, отстойники, виброгрохоты. Метод анаэробной переработки биомассы в биогаз и удобрения с инженерной точки зрения довольно хорошо изучен в лабораторных условиях. Полученные результаты уд. Q по биогазу ~ 4 м3 с 1 м3 реактора позволяет действительно эффективно получать товарную энергию из органических отходов в виде биогаза.

Совершенными и экономичными признаны установки непрерывного действия, обеспечивающие равномерный выход биогаза и навоза.

Установка состоит из навозоприемника, двух бродильных камер, мерного резервуара; насосных № 1 и № 2 с фекальными насосами; системы труб с арматурой, газгольдера.

Процесс сбраживания – мезофильный с подогревом до 32-34 °С, заполнение камер – непрерывное с ежесуточной подачей сырого навоза в количестве 5 % от объема заполнения камер, т.е. длительность брожения составляет 20-21 день.

Постоянная температура брожения поддерживается впуском пара в камеры брожения.

Установка работает по следующей технологической схеме: навозная масса из коровника по закрытым каналам самосплавом подается в навозоприемник, где он смешивается с жижей и фекальным насосом перекачивается в мерный резервуар.

Отсюда масса идет в распределительный бак сырого навоза, установленный на втором этаже насосной. Из него самотеком поступает в бродильные камеры.

Сброженная масса самотеком поступает в открытое навозохранилище. Из навозохранилища готовый жидкий навоз вывозят на поля жижеразбрасывателями.

Полученный в результате брожения газ собирается в верхней части бродильных камер и по трубопроводу поступает в газгольдер, проходя по пути через бак мокрой сероочистки (для освобождения от сероводорода). Давление в газгольдере – 300-400 мм вод. ст. Из газгольдера газ, по мере надобности, подается потребителям.

Один килограмм твердых отходов может дать 0,25 м3 биогаза. По теплотворной способности 1 м3 газа соответствует 0,6 л жидкого топлива. В сутки для 100 коров на подогрев воды расходуется 5-6 м3 газа. Один Квт∙ч электроэнергии соответствует расходу 0,7-0,8 м3 газа. Одна тонна сброженного навоза увеличивает урожайность на 10-15 % по сравнению с использованием буртового навоза.

Расчет процесса метанового сбраживания

Объём навозоприёмника:

, (5.1)

где аcут – суточный выход навоза (влажность 92 %); ρn – плотность навоза, кг/м3 (ρn = 1 020 кг/м3); tn – время накопления навоза, сут; kB – коэффициент, учитывающий изменение плотности навоза, в зависимости от исходной влажности (kB=1,5).

Продолжительность сбраживания:

tc6= 100/q', сут, где q' – выход биогаза, приходящийся на 1т переработанного навоза, м3.

Суточный выход биогаза

 Gб = Qсутq'. (5.2)

Общая тепловая энергия получаемого биогаза:

Qобщ = Gб∙Сб, (5.3)

где Сб = 24 МДж/м3 – теплотворная способность биогаза.

Расход теплоты на собственные нужды

Qс.н.= Qm.p. + Qk.t., (5.4)

где Qk.t. – расход теплоты на компенсацию теплопотерь.

Общее количество биогаза, идущего на собственные нужды:

Gб.н. = Qc.н./Cб, (5.5)

Выход товарного биогаза:

Gб.т. =Gб – Gб.н., (5.6)

Тепловая мощность котла КГ-1500:

WK=1500 Cб/Gб. (5.7)

Конструкционный расчет метантенка

Самым важным элементом биогазовой установки является метантенк. От его конструкции зависит производительность и экономическая эффективность всей установки.

Анализ форм метантенков.

A) Овальная. Достоинства: наилучшие условия для перемешивания и отвода осадков, разрушения плавающей корки.

Недостатки: высокая стоимость изготовления.

Б) Цилиндрическо-коническая. Достоинства: обеспечивает удаление сверху корки, снизу – отстоявшегося субстрата (шлама).

Материалы: сталь, пластмасса, бетон.

В) Цилиндрическая. Достоинства: простая технологичность изготовления.

Недостатки: условия для перемешивания тока жидкости менее благоприятны, требуют значительных удельных затрат энергии.

Г) Наклонно-горизонтальное расположение цилиндрического метантенка.

Достоинства: наклонное расположение облегчает стекание шлама к выгрузному отверстию, лучше заполнение, перемешивание.

Недостатки: подземное расположение камеры сбраживания ухудшает теплотехнические показатели.

Материалы: листовая сталь.

Д) Горизонтальное расположение цилиндрического метантенка. Достоинства: позволяет сбраживать большое количество субстрата, экономия затрат, удобство разрушения корки.

Недостатки: процесс брожения протекает стихийно, бесконтрольно, значительная продолжительность сбраживания.

Принимаем для проекта цилиндрическо-коническую форму метантенка.

Габаритные размеры реактора определяем исходя из его емкости.

Для теплоизоляции применяем маты из стеклянного штапельного волокна.

Материалом для изготовления основного корпуса – листовая сталь.

Выводы:

1) В результате анаэробной переработки общее содержание основных биогенных игумусообразующих веществ в навозе КРС не претерпевало заметных изменений. Темметангенерация сопровождалась специфическими изменениями в содержании аммонийного азота, углерода, сухого органического вещества, аминокислот и жирных летучих кислот.

2) Анаэробная переработка бесподстилочного навоза обеспечивала эффективное обеззараживание его от семян сорных растений, яиц гельминтов.

3) В процессе метановой ферментации отмечалось улучшение реологических свойств сброженного навоза: снижалось общее содержание взвешенных частиц, количество частиц крупного размера, уменьшалась плотность навоза.

4) Влияние сброженного бесподстилочного навоза КРС на урожай и качество сельскохозяйственных культур не уступало действию исходного бесподстилочного навоза.

Энергия биомассы Понятие «биомасса» относят к веществам растительного или животного происхождения, а также отходам, получаемым в результате их переработки. В энергетических целях энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Есть два основных направления получения топлива из биомассы: с помощью термохимических процессов или путем биотехнологической переработки. Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка органического вещества. В середине 80-х г. в разных странах действовали промышленные установки по производству топлива из биомассы. Наиболее широкое распространение получило производство спирта.

Практические советы Как уже отмечалось, решающую роль в развитии процесса ферментации играет температура: нагрев сырья с 15 °С до 20 °С может вдвое увеличить производство энергоносителя. Поэтому часть генераторов имеет специальную систему подогрева сырья, однако большинство установок не оборудовано ею, они используют лишь тепло, выделяемое в процессе самого разложения органических веществ. Одним из важнейших условий нормальной работы ферментатора является наличие надежной теплоизоляции. Кроме того, необходимо свести к минимуму потери тепла при очистке и наполнении бункера ферментатора.

Мини-теплоэлектростанция на отходах. Биогазовые технологии – радикальный способ обезвреживания и переработки разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения, включая экскременты животных и человека, с одновременным получением высококалорийного газообразного топлива – биогаза и высокоэффективных экологически чистых органических удобрений. Биогазовые технологии – это решение проблем экологии, энергетики, агрохимии и капитала.

Биоэнергетические установки, производимые в России, и их краткие технические характеристики Установка предназначена для переработки всех видов органических отходов крестьянского или фермерского хозяйства, имеющего на своем подворье до 5-6 голов крупного рогатого скота или 50-60 голов свиней, или 500-600 голов птицы, с получением газообразного топлива (биогаза) и экологически чистых органических удобрений.

В 1982-1986гг. во Франции, Бельгии, Дании был сделан существенный прорыв в области управления спросом на энергию, с целью ее экономии, посредством введения новых систем тарифов, отличающихся от предыдущих более широкой дифференциацией по различным критериям. Новые тарифы на электроэнергию симулируют снижение нагрузки потребителей в период зимнего максимума за счет действия льготных тарифов в остальное время года. Благодаря широкой дифференциации тарифов, при которых пиковая энергия в определенных условиях стоит более чем в 20 раз дороже базовой, а в летнее время в отдельных тарифных зонах электроэнергия отпускается потребителям по ценам ниже среднегодовой себестоимости по энергосистемам
Расчет ветродвигательных установок