научная статья по теме СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ БЛОЧНО-МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ ЭФФЛЮЕНТА ДЛЯ ФЕРМЫ НА 400 ГОЛОВ КРС Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ БЛОЧНО-МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ ЭФФЛЮЕНТА ДЛЯ ФЕРМЫ НА 400 ГОЛОВ КРС»

ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ

ENERGY OF BIOMASS

Статья поступила в редакцию 18.01.13. Ред. рег. № 1516

The article has entered in publishing office 18.01.13. Ed. reg. No. 1516

УДК: 631.1.004.18:636.22/28

СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ БЛОЧНО-МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ ЭФФЛЮЕНТА ДЛЯ ФЕРМЫ НА 400 ГОЛОВ КРС

А.А. Ковалев, Д.А. Ковалев, В.В. Харченко

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ Тел: (499) 171-13-72, факс: (499) 170-00-51; e-mail: kovalev_ana@mail.ru, kovalev_da80@mail.ru, kharval@mail.ru

Заключение совета рецензентов 21.01.13 Заключение совета экспертов 24.01.13 Принято к публикации 28.01.13

В работе проведен тепловой расчет системы теплоснабжения биогазовой установки блочно-модульной конструкции с использованием рекуперации теплоты эффлюента с помощью компрессионного термотрансформатора. Приведены основные зависимости теплового расчета биогазовой установки и блок-схема теплового баланса. Показана технологическая схема использования компрессионного термотрансформатора в системе теплоснабжения биогазовой установки блочно-модульной конструкции. Проведено сравнение энергетических показателей биогазовых установок традиционного и блочно-модульного типа, приведенное на гистограмме. Показано, что использование блочно-модульной конструкции биогазовых установок с применением рекуперации теплоты эффлюента способно значительно повысить энергетическую эффективность их использования в сельском хозяйстве.

Ключевые слова: биогазовая установка блочно-модульного типа, анаэробная переработка навоза, рекуперация теплоты эффлюента, компрессионный тепловой насос.

HEATING SYSTEM FOR BIOGAS PLANT OF BLOCK-MODULAR DESIGN USING HEAT RECOVERY OF EFFLUENT FOR FARMS FOR 400 HEADS OF CATTLE

A.A. Kovalev, D.A. Kovalev, V.V.Kharchenko

All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. (499) 171-13-72, fax: (499) 170-00-51; e-mail: kovalev_ana@mail.ru, kovalev_da80@mail.ru, kharval@mail.ru

Referred 21.01.13 Expertise 24.01.13 Accepted 28.01.13

Thermal design of heat supply system of modular biogas plant using heat recovery of effluent using compression heat pump is presented in the paper. Main dependences of thermal calculation modular biogas plant and block diagram of the heat balance are presented. The paper shows flow diagram of used compression heat pump in the heat supply system of modular biogas plant. Comparison of energy performance of biogas plants of traditional and modular type (the comparison shown in the histogram) are performed.

It is shown that using modular construction of biogas plants with heat recovery of effluent can significantly improve energy efficiency of their use in agriculture.

Keywords: modular biogas plant, anaerobic digestion of manure, effluent heat recovery, compression heat pump.

Сведения об авторе: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства,

Область научных интересов: промышленная теплоэнергетика, возобновляемые источники энергии, биогазовые технологии Публикации: 20

Андрей Александрович Ковалев

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Валерий Владимирович Харченко

Сведения об авторе: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, канд. техн. наук

Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, переработка органических отходов, биогазовые технологии Публикации: 35.

Дмитрий

Александрович Ковалев

Сведения об авторе: Всероссийский научно-исследовательский электрификации сельского хозяйства, доктор технических наук Область научных интересов: технологии возобновляемой энергетики Публикации: 243.

институт

Интенсификация животноводства создает проблему обработки и использования отходов, поскольку они имеют высокую биологическую активность и содержат значительное количество микроорганизмов и семян сорняков. Для переработки и обеззараживания отходов животноводства наибольшее распространение получают биогазовые установки, которые обеспечивают переработку отходов с получением удобрений и биогаза.

Технология анаэробной переработки

органических отходов позволяет наиболее рационально и эффективно конвертировать энергию химических связей органических отходов в энергию газообразного топлива (биогаз) собственного производства с получением высокоэффективных органических удобрений. Производство биогаза позволяет предотвратить выброс метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления. Произведенный биогаз может быть направлен в энергетические установки для выработки электроэнергии и тепла.

Кроме того, биогазовая установка решает проблему утилизации органических отходов и очистки сточных вод. Переработанные органические отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве, что позволяет снизить

применение химических удобрений. За счет этого сокращается нагрузка на грунтовые воды. Однако, не смотря на положительные стороны анаэробной обработки органических отходов, она имеет существенный недостаток - для обеспечения температурного режима в биогазовой установке требуется значительное количество выработанного биогаза (до 50%).

Одним из способов повышения энергетической эффективности биогазовых установок является использование термотрансформаторов для рекуперации тепла эффлюента в системе теплоснабжения.

Нами была рассмотрена система обработки органических отходов для фермы крупного рогатого скота (КРС) на 400 голов, основанная на их анаэробной обработке в блоках-модулях биогазовой установки, разработанных лабораторией Биоэнергетических установок ГНУ ВИЭСХ, с системой теплоснабжения, включающей в себя компрессионный тепловой насос.

Эффективное производство энергии на биогазовой установке, согласно [3, 4], возможно лишь в случае, когда суммарная энергия полученного биогаза будет значительно превышать расходы энергии на его производство, т.е. должно выполняться условие

(^эл+^-ОО ^ (1)

ISIAEE«

62

где Уг - общее количество полученного биогаза, м3/сут.; X - теплотворная способность биогаза, кДж/м3; ЕСН - расход электроэнергии на собственные нужды установки, кВт*чэлэн; - к.п.д.

преобразовании энергии биогаза в электроэнергию; Qcн - расход тепловой энергии на собственные нужды установки, кВт*чтэн; - к.п.д.

преобразовании энергии биогаза в тепловую энергию.

Количество товарного (неиспользованного на собственные нужды установки) биогаза [м3/сут.] может быть представлено как

ЕСН/ +Чсн/

Ут = Ц.--^-^ • 3600 (2)

я

Расход тепловой энергии на собственные нужды установки равен:

Qcн = Qн+Qк - Qp (3)

где Qн - расход энергии на предварительный нагрев субстрата до температуры брожения, кВт*чтэн; QК-суточный расход энергии на компенсацию теплопотерь от ограждающих конструкций и трубопроводов, кВт*чтэн; QР - количество рекуперированной энергии, кВт*чтэн'.

Расход тепла на предварительный нагрев субстрата [кВтчтэн] определяется как

_ _ сн Рн ун (тн-т1) п (4)

243600 ^ '

где Сн - теплоемкость субстрата, кДж/(кг 0С); рн -плотность субстрата, кг/м3; Ун - суточная доза загрузки, м3/сут; ТН - конечная температура нагрева субстрата, 0С; Т1 - исходная температура субстрата, 0С; п - число часов работы теплового насоса в сутки, ч/сут.

Среднесуточный расход тепла [кВтчтэн], необходимый для компенсации теплопотерь через ограждающие поверхности биореактора при среднегодовой температуре наружного воздуха

Qк = k■F•(Tн-Tв)•W-3 • 24 (5)

где к - коэффициент теплопередачи, Вт/м2К; Е -площадь ограждающих поверхностей биореактора, м2; Тн - температура субстрата в биореакторе,0С; Тв - температура наружного воздуха, 0С.

Максимальное суточное количество

низкопотенциального тепла эффлюента [кВттэн]:

ß max _ Сн■ PH• VH• (TH-TOXmin)10 3 (6)

^eff 243600 ^ '

где ТОХ mi„ - температура эффлюента в отстойнике, необходимая для прекращения остаточного газовыделения, 0С.

Среднесуточное количество рекуперируемого тепла [кВтчтэн]:

0 <Qp<Qerrnax-(±ù-n (7)

где е - коэффициент преобразования теплового насоса с учетом изоэнтропического и механического к.п.д. компрессора теплового насоса.

Исходные данные для расчета:

- ферма КРС на 400 голов, расположенная в Московской области;

- биореактор - модуль-блок объемом 60 м3, площадь ограждающих поверхностей блока-модуля F=90 м2, теплоизоляция - минеральная вата толщиной 300 мм, коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций биореактора ¿=0,136 Вт/м2К, согласно [1];

- режим работы биореактора - термофильный при температуре субстрата в биореакторе ТН=55°С, согласно [1];

- субстрат - бесподстилочный навоз КРС влажностью 95%, с теплоемкостью СН=4,06 кДж/(кг 0К), плотностью pH=1020 кг/м3, исходной температурой Гг=10°С;

- температура эффлюента в отстойнике, необходимая для прекращения остаточного газовыделения ТОХ mi„=7 0С, согласно [1];

- температура наружного воздуха Гв=4,1°С, согласно [5];

- теплотворная способность биогаза Х=21500 кДж/м3, согласно [3].

По исходным данным получаем:

- суточная доза загрузки одного модуль-блока VH =6,25 м3/сут., согласно [6, 7];

- общее количество полученного биогаза Vr=350 м3/сут. согласно [6, 7];

- расход тепла на предварительный нагрев субстрата 2д=165 кгут/сут.;

- среднесуточное количество тепла, необходимое для компенсации теплопотерь через ограждающие поверхности биореактора 2^=7,7 кгут /сут.;

- максимальное суточное количество низкопотенциального тепла эффлюента Q3i,rlr=176 кгут/сут.

Схема системы теплоснабжения биогазовой установки на базе 4 модулей-блоков объемом 60 м3

каждый с включенным в нее компрессионным тепловым насосом представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Технологическая схема системы теплоснабжения биогазовой установки Fig. 1. Technological diagram of the heating

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.

Показать целиком