ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ АЭЭ
THERMODYNAMIC
BASICS OF AEE
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
THERMODYNAMIC ANALYSIS
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АЭ
THERMODYNAMIC ANALYSIS OF BASIC ENERGY GENERATION PROCESSING IN AE
Статья поступила в редакцию 27.03.15. Ред. per. № 2213
The article has entered in publishing office 27.03.15. Ed. reg. No. 2213
УДК 631.1.004.18:636.22/28
АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ОТБРОСНОЙ ТЕПЛОТЫ
ЭФФЛЮЕНТА
112 2 Д.А. Ковалев , A.A. Ковалев , Ю.В. Караева , И.А. Трахунова
1ФГБНУ ВИЭСХ Россия 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 тел.: (499) 171-13-72; e-mail: kovalev_da80@mail.ru 2КазНЦ РАН
Россия 420111, Казань, ул. Лобачевского, 2/31, а/я 190 тел.: (843) 273-92-31; e-mail: julieenergy@list.ru
doi: 10.15518/isjaee.2015.05.005
Заключение совета рецензентов: 30.03.15 Заключение совета экспертов: 03.04.15 Принято к публикации: 08.04.15
В данной работе рассмотрена технология метанового брожения биоотходов с рекуперацией отбросной теплоты эффлюента . Для повышения энергетической эффективности биогазовой установки предложена технологическая схема с рекуперацией отбросной теплоты эффлюента, которая позволяет использовать биогазовые установки в регионах с низкой среднегодовой температурой окружающего воздуха. На основании методики теплового и термодинамического анализа проведена сравнительная оценка энергетической эффективности двух биогазовых установок: традиционной и с рекуперацией отбросной теплоты эффлюента. Ключевым аппаратом схемы является метантенк, поэтому представлен детальный расчет его теплового и эксергетического КПД. Применение теплового насоса в системе теплоснабжения БГУ позволит увеличить тепловой КПД схемы с 39 % до 46 %, а эксергетический КПД с 6 % до 31 %.
Ключевые слова: биогазовая установка, энергетическая эффективность, рекуперация отбросной теплоты эффлюента.
ENERGY EFFICIENCY ANALYSIS OF A BIOGAS PLANT WITH HEAT RECOVERY
OF WASTE EFFLUENT HEAT
D.A. Kovalev1, A.A. Kovalev1, Yu.V. Karaeva2,1.A.Trakhunova2
Жидкие и твердые продукты переработки биоотходов в метантенке [ГОСТ Р 52808 2007].
№ 05 (169) л Международный науч+i -Ту- 20:_ ' «Альтернативная энергетика и
'All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture 2, 1-st Veshnyakovskiy Str., Moscow, 109456 Russian Federation ph.: (499) 171-13-72; e-mail: kovalev_da80@mail.ru 2KazanSC of RAS 2/31 Lobachevskiy Str., Kazan, 420111 Russian Federation ph.: (843) 273-92-31; e-mail: julieenergy@list.ru
Referred 30 March 2015 Received in revised form 3 April 2015 Accepted 8 April 2015
The paper considers methane fermentation technology of bio waste fermentation with heat recovery of waste effluent heat. In order to improve the energy efficiency of a biogas plant the authors propose technological scheme of waste heat recovery effluent, which allows using biogas plants in regions with low average annual temperature. Based on the technique of thermal and thermodynamic analysis it is comparatively assessed the energy efficiency of two biogas plants: the traditional and the recovery of waste heat of the effluent. The paper presents a detailed calculation of digester thermal and energetic efficiency, because it is a key unit of the scheme of the apparatus. The use of heat pump in biogas plant heating system will increase the thermal efficiency of the scheme from 39% to 46%, and the exergy efficiency from 6% to 31%.
Keywords: biogas plant, energy efficiency, recovery of waste heat.
- С -'м1
Ковалев Дмитрий
Александрович Dmitry A. Kovalev
Сведения об авторе: канд. техн. наук, заведующий отделом биоэнергетики, охраны окружающей среды и нанотехнологий ФГБНУ ВИ-ЭСХ.
Образование: Московский государственный индустриальный университет (МГИУ) 2003 г., инженер.
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии; анаэробная переработка отходов животноводства, технические инновации в сельском хозяйстве и защите окружающей среды, производство биогаза из биомассы.
Публикации: 45.
Information about the author: PhD
(technics), Head of the Department of Bio-energy, Environment and Nanotechnology of All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture (ARIEA).
Education: Moscow State Industrial University (MSIU) 2003, engineer.
Research area: renewable energy, anaerobic digestion of animal waste, technical innovations in agriculture and environmental protection, the production of biogas from biomass.
Publications: 45.
с о
Ковалев Андрей Александрович Andrey A. Kovalev
Сведения об авторе: канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории биоэнергетических установок ФГБНУ ВИЭСХ.
Образование: Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ) 2009г., инженер.
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии; анаэробная переработка отходов животноводства, производство биогаза из биомассы, теплоэнергетические установки, тепломассообмен.
Публикации: 22.
Information about the author: PhD
(technics), Senior Researcher of the Laboratory of Bioenergy Plants of All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture (ARIEA).
Education: Moscow State University of Railway Engineering (MIIT) 2009, engineer.
Research area: renewable energy, anaerobic digestion of animal waste, biogas production from biomass heat and power plants, heat and mass transfer. Publications: 22.
-О
N
Караева Юлия
Викторовна Julia V. Karaeva
Сведения об авторе: канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории энергосберегающих технологий и перспективных источников энергии КазНЦ РАН.
Образование: Казанский государственный энергетический университет, специальность «Экономика и управление на предприятии (энергетика)» (2000-2005 гг.).
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии; математическое моделирование, гидродинамика, тепломассоперенос.
Публикации: 41.
Information about the author: PhD
(technics), Senior Researcher of the Laboratory of Energy-Saving Technologies and Advanced Energy Sources, KazanSC of RAS.
Education: Kazan State Energy University, specialty "Economics and Management at Enterprise (energy)" (2000-2005).
Research area: renewable energy, mathematical modeling, hydrodynamics, heat and mass transfer.
Publications: 41.
Трахунова Ирина Александровна Irina A. Trakhunova
Сведения об авторе: младший научный сотрудник лаборатории энергосберегающих технологий и перспективных источников энергии КазНЦ РАН.
Образование: Казанский государственный технологический университет, специальность «Биотехнология» (2004-2009гг.), Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН, аспирантура (2009-2012 гг.).
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии; биогазовые установки, математическое моделирование, тепловой и эксергетический анализ.
Публикации: 22.
Information about the author: Junior Researcher of the Laboratory of Energy-Saving Technologies and Advanced Energy Sources, KazanSC of RAS.
Education: Kazan State Technological University, specialty "Biotechnology" (2004-2009), Research Center for Power Engineering Problems of the Russian Academy of Sciences, graduate school (20092012).
Research area: biogas plant, mathematical modeling, thermal and exergy analysis.
Publications: 22.
M, - G -'м1
с о
Введение
Основной причиной ограниченного применения биогазовых установок являются большие энергетические затраты на технологические нужды оборудования. Наиболее энергоемкий - процесс нагрева суточной дозы загрузки метантенка, на который идет около 95 % энергии, расходуемой на собственные нужды установки. Опыт применения систем подогрева субстрата в системах теплоснабжения биогазовых установок (БГУ) незначителен, а имеющиеся сведения в научно-технической литературе не позволяют создать эффективные энергосберегающие установки [1].
Для повышения эффективности БГУ предложена технологическая схема с рекуперацией отбросной теплоты эффлюента, эффективность которой подтверждена на основании экспериментальных данных,
полученных в ФБГНУ ВИЭСХ на лабораторной установке [2, 3, 4, 5].
Объективная оценка степени энергетического совершенства любого технологического процесса или аппарата может быть сделана лишь на основе термодинамического анализа. Однако представленные в литературе методики [6-11] не учитывают технологические особенности производства биогаза. В работе предлагается порядок расчета энергетической эффективности биогазовой установки с рекуперацией отбросной теплоты эффлюента.
Технологическая схема метанового брожения биоотходов
Рассмотрим технологические схемы получения биогаза из навоза, поступающего в количестве 25 тонн в сутки. Температурный режим термофиль-
<0 N
ный (55 С). Гидравлическое время удержания 10 суток.
Рассмотрим наиболее распространенную технологическую схему получения биогаза (рис. 1). Технологический процесс осуществляется следующим образом. Органические отходы с животноводческого комплекса поступают в приемную емкость 1, а затем фекальным насосом 2 подаются в метантенк 3, где в
процессе анаэробной ферментации получают два первичных продукта: биогаз и эффлюент. Перемешивание в метантенке гидравлическое. Поддержание температуры технологического процесса осуществляется с помощью стационарного подогревателя 4. Из метантенка эффлюент самотеком поступает в отстойник 5, а образовавшийся биогаз подается в водогрейный котел 6.
биогаз
Рис. 1. Схема традиционной БГУ: 1 - приемная емкость; 2 - фекальный насос; 3 - метантенк; 4 - теплообменник в метантенке; 5 - отстойник эффлюента; 6 - водогрейный котел Fig. 1. Scheme of the traditional biogas plant: 1 - receiving tank; 2 - pump; 3 - digester; 4 - heat exchanger in the digester; 5 - clarifier effluent; 6 - water heating boiler
На рис. 2 представлена предлагаемая БГУ с рекуперацией отбросной теплоты эффлюента. Схема метанового брожения включает емкость предварительного нагрева поступающего с фермы субстрата 1 с вмонтированным теплообменником 2, откуда фекальным насосом 10 органические отх
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.