Geum.ru

Тернопільський державний технічний університет ім. І

Вид материалаДокументы

Содержание


Опис технологічної схеми БЕУ
Опис технологічного процесу
Використання газових електростанцій
Базова комплектація БЕУ
Вартість біогазової установки
Подобный материал:
Володимир Липницький

Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя

(науковий напрям: інженерія та енергетика )


РОЗРОБКА БІОЕНЕРГЕТОЧНОЇ УСТАНОВКИ ДЛЯ ВДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМИ ЕНЕРГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ПІДПРИЄМСТВА

Ключові слова:
  • біоенергетична установка;
  • біогаз;
  • електроенергія;
  • теплова енергія;
  • економія.


Швидкий ріст промисловості у всіх країнах світу в ХХ столітті вимагає величезної кількості енергії. Якийсь час все йшло непогано - розвіданих запасів нафти і вугілля здавалося досить для забезпечення будь-якого темпу росту економіки. Але зараз стало ясно, що світова і українська у тому числі промисловість споживала енергії набагато більше, ніж передбачалося, що енергозберігаючі технології використовувалися далеко не завжди і не найкращим шляхом. Відомо, що світові запаси енергоносіїв зовсім не такі великі, як здавалось раніше, що енергетичні ресурси планети Земля не безмежні. Світова енергетична рада ще в 1992-1995 роках відзначала, що запасів вугілля вистачить на 200-250 років, а проблеми з нафтою і газом можуть з'явитися вже до 2020 року. Так що в нас є реальний шанс зовсім не через кілька століть, а набагато раніше, вже через кілька десятиліть, стикнутися з проблемою нестачі енергії для реалізації наших планів будівництва України. У цій важко знайти рятівний вихід. Проблема недостачі енергії настільки серйозна і глобальна, що звичайними методами з нею не справитися. І шукати рішення нам потрібно сьогодні.

Пристрій, що розробляється, називається біоенергетична установка (далі БЕУ).

Область застосування пристрою, що розробляється, обмежується галузями нетрадиційної енергетики та газоелектропродукуючих установок і може використовуватися на будь-яких підприємствах для вироблення газу або електроенергії, що втілено в даній розробці.

Підставою для проведення розробки є потреба забезпечення сільськогосподарських підприємств електроенергією.

Додатковою вигодою є здешевлення електроенергії, переробка біомаси на високоякісні біодобрива, підвищення техніко-економічних показників роботи підприємства.

Основною метою проекту є здешевлення вартості електроенергії та виробництво її альтернативним до використовуваних зараз методів.

Вимоги до системи: надійність, безперебійність, стабільність роботи.

Об’єктом дослідження є техніко-економічні впровадження в ТОВ «АГРОСВІТ».

Досліджуване підприємство - товариство з обмеженою відповідальністю "Агросвіт", засноване на основі овочевого заводу села Жуків Бережанського району Тернопільської області, займається обробітком власних земельних площ, вирощенням та збором сільськогосподарських культур з подальшою їх переробкою, консервуванням і збутом та розведенням худоби і проводить ремонтно-експлуатаційне обслуговування автопарку.

Отже, підприємство є споживачем значної кількості паливно-енергетичних ресурсів.

Технологічний процес виробництва потребує електроенергії 600 кВт в день для забезпечення роботи 3-фазних двигунів, насосів, нагрівних тенів і освітлювальної мережі та газу 1500 м3 в день для роботи котельні на три парових котла Е-1/9.

Ціни на енергоносії є досить високими. Для підприємств вони значно вищі ніж для населення. Тому виникає потреба шукати шляхи їх здешевлення за рахунок якихось альтернативних джерел енергії. Ще одним важливим чинником є постійна збитковість сільськогосподарського виробництва в Україні при чи не першочерговій потребі в ньому.

Підприємство має можливість та потенціал для встановлення такого альтернативного джерела енергії як біоенергетична установка. Це зумовлено тим, що є:

тваринницька ферма, яка дає постійний відхід гною і потребує його утилізації;

відхід соломи та бадилля від с/г культур, що просто переорюється і практично не приносить користі;

відходи паперу, картону, текстилю, харчові відходи;

власні посівні площі, які потребують високоякісних біодобрив для збільшення врожайності;

потреба у вітамінно збагачених кормах для тварин;

завод по консервуванню овочів та м’яса, що є постійним споживачем електроенергії, газу, тепла.

Найбільш ефективним і перспективним біологічним методом утилізації відходів тваринництва є метод метанового зброджування. Метанове зброджування - це складний анаеробний процес (без доступу повітря), який відбувається внаслідок життєдіяльності мікроорганізмів і супроводиться рядом біохімічних реакцій. Біогазова установка "Екогазелектро" - призначена для переробки органічних відходів, що утворюються на сільському подвір'ї або фермерському господарстві, з отриманням газоподібного палива – біогазу з подальшим його використанням для виробництва електроенергії та органічних добрив.

В якості сировини для роботи установки з метою отримання біогазу і добрив можна використати всі органічні відходи рослинного і тваринного походження, що нагромаджуються на сільській садибі або фермерському господарстві:

У процесі переробки рідкого гною (вогкість якого доходить до 88-98%) на установці "Екогазелектро" отримують три первинних продукти: біогаз, рідкі добрива і тверді добрива.

Біогаз використовується для виробництва електричної і теплової енергії і може застосовуватися:

- в системах опалювання жител і приміщень для тварин;

- в побутових газових плитах;

- в спеціальному електрогенераторі для вироблення електроенергії 12-220В -380 В.

Опис технологічної схеми БЕУ

БЕУ призначена для підготування вихідної біомаси (здрібнювання, гомогенізація, нагрівання) до бродіння, аеробного (кислотного) бродіння і, нарешті, анаеробного (метанового) бродіння і складається з наступних основних блоків (рис. 1):

блок підготування включає: приймач вихідної біомаси, обладнаний подрібнювачем довговолокнистих включень (1), теплообмінником-рекуператором "вихідна біомаса - зброджена біомаса" (2), насосом завантаження і датчиками рівня маси;

блок бродіння включає: витримувач (реактор 1-ї стадії - кислотної) (3) і реактор 2-ї стадії (метанової) (7), які обладнані теплообмінниками нагрівання і компенсації тепловтрат маси (4), насос-дозатор для завантаження маси в реактори (5), запірну і регулюючу арматуру (6);

енергоблок включає: котел газовий (9) і мотор-генератор (10) для одержання тепла й електроенергії, компресор біогазу (16), очисник біогазу (15), газгольдер (13), обладнаний перетворювачем тиску газу (11) і комутатором скидання надлишків біогазу (12), клапани зворотні і для регулювання біогазу (14), датчики рівня, тиску і температури теплоносія, витратоміри й іншу вимірювальну та виконавчу апаратуру;

автоматичну систему управління (АСУ) (8);

приймач збродженого добрива.

Опис технологічного процесу

Технологічний процес переробки біомаси (одержання органічних добрив і біогазу) відбувається в наступній послідовності (рис. 1).

Вихідна біомаса, одержувана щодня на тваринницькій фермі, надходить у блок підготування, де відбувається її стабілізація по вологості, здрібнювання довговолокнистих включень подрібнювачем (1), відділення мінеральних включень, попереднє нагрівання за рахунок тепла зброженої маси в теплообміннику-рекуператорі (2).

Підготовлена маса з блока підготування подається насосом у витримувач (3), де за допомогою теплообмінника (4) відбувається його нагрівання до температури бродіння (+400 С) і за допомогою асоціації різних аеробних бактерій здійснюється перша стадія процесу - гідроліз високомолекулярних органічних сполук і утворення кислот з накопиченням низькомолекулярних продуктів, доступних для їхньої утилізації метаногенами. Тривалість цього процесу складає 8 годин. Перемішування маси у витримувачі здійснюється заглибними мішалками і насосом-дозатором (5). Утворений при цьому газ, що складається в основному із СО2, О2 і N, через з’єднувальні газопроводи направляється в реактори другої стадії.

Після першої стадії бродіння маса насосом-дозатором (5) через запірну і регулюючу арматуру (6) подається в мікробіологічні реактори (7), де за допомогою асоціації різних анаеробних бактерій відбувається розпад частини біологічно нестабільних органічних речовин на біогаз і розчин; виділення аміаку з азотистих органічних сполук і разом із з'єднаннями фосфору і калію, наявними в сировині й утвореними в результаті розкладання, перетворюється в багате живильними речовинами органічне добриво. Крім того, у цьому добриві зменшується утримання вуглецю, відбувається його знезаражування і, практично цілком, ліквідується схожість насінь бур'янів. Компенсація тепловтрат у реакторі здійснюється за допомогою теплообмінника (4). Відхилення температури маси в реакторі від заданої (+400° С) не перевищує ±0,50 С. У реакторі здійснюється гідрогазове (пульсуюче) перемішування маси при доборі біогазу. У газовій порожнині реактора підтримується розрідження в межах -50...-100 кПа. Тривалість процесу бродіння не перевищує п'ятьох діб (для гною великої рогатої худоби). Глибина розкладання органічних речовин складає 25...35%.

Біогаз, що утвориться в процесі анаеробного бродіння, через клапани (14) і очисник (15) компресором (16) відбирається з реакторів (7) і накачується в газгольдер (13). Тиск біогазу в газгольдері складає 1.5 МПа. З газгольдера біогаз через перетворювач (11), де відбувається зниження тиску газу до 2...5 кПа і реєструється його об'єм, надходить у газовий пальник котла (9) або в двигун внутрішнього згорання мотор-генератора (10). При необхідності частина біогазу може бути скинута на факел через комутатор (12). Тиск, об'єм і інші параметри контролюються відповідними датчиками й апаратами.

Зброджена маса надходить у приймач рідкого органічного добрива. У процесі одержання органічних добрив ведеться постійний біохімічний і санітарно-ветеринарний контроль за його якістю.



Рис. 1. Технологічна схема БЕУ


Використання газових електростанцій

Сьогодні гостро постала проблема подорожчання енергоносіїв та знаходження шляхів зниження витрат на них. Одним з напрямів здешевлення енергоресурсів можуть стати газопоршневі міні-електростанції, які тільки почали з'являтися на ринку. Вони мають наступні переваги.

По-перше, використовуючи більш дешеве паливо (природний газ, пропан-бутан, біогаз і інші горючі гази), вони виробляють більш дешеву електроенергію.

По-друге, дозволяють за допомогою теплообмінників або калориферів використовувати тепло від охолоджування двигуна і вихлопних газів для опалювання приміщень, виробництва технологічної пари.

Одночасне отримання і використання електричної і теплової енергії дозволяє довести коефіцієнт використання теплотворної здатності газу до 90 відсотків.


Таблиця 1. Основні технічні характеристики мініелектростанції МЕС-100ГП

№
Найменування характеристики, параметра показника
Значення

1
Позначення:






заводське
МЕС-100ГП




по стандарту
АП100С-Т400

2
Тип електроагрегата
Газопоршневий

3
Номінальна потужність (н.у.), кВт
100

4
Максимальна потужність, кВт
110

5
Частота обертання на номінальній потужності, об/хв
1500

6
Мінімально стійка частота обертання (х.х.), об/хв
500

7
Максимальна частота обертання холостого ходу, об/хв
1300

8
Струм
Змінний, трифазний

9
Напруга, В
400

10
Частота, Гц
50

11
Коефіцієнт потужності (індуктивний)
0,8

12
Розхід газу в номінальному режимі, м3/год
32

13
Питомий розхід масла (угар) в номінальному режимі, г-кВт/год
1,55

14
Маса електроагрегата суха, кг
1800

15
Габаритні розміри, мм






довжина
2500




ширина
1200




висота
1700

16
Ресурс до капітального ремонту, год
20000


Отже, для нашого підприємства ми можемо запропонувати біоенергетичну установку, технічні характеристики якої приведені нижче, що по техніко-економічних характеристиках відповідає попереднім розрахункам.

Об'єм: 300 м3

Кількість відходів, що переробляються: 24 т/доба

Вогкість відходів: 90-93 %

Вихід біогазу: 480 м3/доба

Теплотоворная здатність: 22000 - 24000 кДж/м3

Вихід товарного біогазу: 70 - 80 %

Об'єм товарного біогазу: 336 - 384 м3/доба

Кількість електроенергії, що виробляється: 640 - 720 кВт год/доба

Кількість теплової енергії, що виробляється: 1920 - 2160 кВт год/доба

Вихід органічних добрив: 24 т/доба

Окупність: 0.5 - 1.0 рік

Базова комплектація БЕУ:

біореактор, об'ємом 2х150м3, з механічною мішалкою і автоматикою;

водогрійний котел;

загрузочна місткість;

фекальний насос.

біогазелектрогенератор;

газгольдер;

Додатково, по потребі замовника можуть поставлятися:

місткість для зберігання добрив;

бойлер для гарячої води.

Головною проблемою економічної оцінки є переведення в грошовий еквівалент некомерційних видів енергії, які не мають встановленої ринкової ціни. Але і в цьому випадку можна встановити цінність біогазу і добрив виходячи з порівняльних даних по теплотворній здатності різних джерел енергії. Для цього потрібно підрахувати кількість джерел енергії, що використовуються в господарстві, і встановити економію від використовування біогазу замість них.


Таблиця 2. Порівняння біогазу (70% вмісту метану) і інших енергоносіїв

Паливо
Теплотворна здатність одиниці палива, кВт
Теплотворна здатність одиниці палива, МДж
Палива на 1 м3 біогазу
Біогазу на одиницю палива

Дизель, Гас, літри
10
36
0,69 літри
1,44 м3

Бензин, літри
8,5
30
0,82 літри
1,28 м3

Дрова, кг
4,5
16,2
1,5 кг
0,65 м3

Сухий кизяк, кг
5
18
1,4 кг
0,7 м3

Сухі рослинні залишки, кг
4,5
16,2
1,5 кг
0,65 м3

Тверде вугілля, кг
7,7
27,6
0,9 кг
1,1 м3

Природний газ, м3
9,3 кВт/м3
33,5
0,75 м3
1,34 м3

Пропан в балонах, м3
12,8 кВт/м3
46
0,54 м3
1,84 м3

Електроенергія, кВт
1
3,6
6,9 кВт
0,14 м3

Біогаз, м3
7
25
1 м3
1 м3


Вартість біогазової установки

Точний розрахунок вартості споруди і експлуатації біогазової установки необхідний для розрахунку окупності установки, порівняння вартості альтернативних моделей і збору інформації про майбутні фінансові витрати.

Розрахунок прибутку проводився з розрахунку продажу біодобрив за ціною 50 гривень за тонну і ціни біогазу - 1,1 гривні за м3.


Таблиця 3. Показники фермерських біогазових установок з газгольдером, механічною підготовкою, пневматичним завантаженням і перемішуванням сировини, підігрівом сировини в реакторі при роботі в мезофільному температурному режимі

Показники
Об'єм реактора




2х150=300 м3

Добрива
тонн в рік
9’000




тонн в добу
25

Біогаз
м3 в рік
164’250




м3 в доба
450

Вартість БГУ
грн.
625’000

Вартість добрив в рік
грн.
450’000

Вартість газу в рік
грн.
180’675

Заг. дохід в рік
грн.
630’675

Термін окупності
місяці
11,9


Вартість проектування включає всі витрати, необхідні для зведення установки, наприклад, вартість землі, фундаменту, підготовки і установки реактора, газової системи, місткостей для зберігання і змішування сировини і добрив, газгольдерів і оплату праці робітників.

Для підрахунку типової вартості простої біогазової установки можна використовувати наступні цифри: загальна вартість установки без вартості землі складає 600 - 1100 гривень на 1 м3 реактора, 35 - 40% загальної вартості складає вартість металевого реактора.


Таблиця 4. Розрахунок економічних показників використання мініелектростанцій потужністю 100 кВт.

Параметр
Одиниці виміру
Значення

Електрична потужність
кВт
100

Теплова потужність
кВт
160

Витрата газу на 1 кВт/год електроенергії
м3
0,33

Вартість електростанції
грн.
117000

Вартість проектування, монтажу пуско-налагоджувальних робіт (орієнтовна, залежить від об'єкту)
грн.
39000

Загальні витрати
грн.
156000

Вартість 1 м3 природного газу
грн.
1,1

Вартість 1 кВт/год електроенергії
грн.
0,4

Вартість 1 Гкал тепла
грн.
174,39

Питома вартість обслуговування МЕС
грн.
-

Число днів використання в рік
день
310

Число робочих годин в році
год.
3720

Об'єм електроенергії, що виробляється в рік
кВт
372000

Вартість обслуговування в рік
грн.
-

Споживання газу в рік
м3
122760

Вартість спожитого газу в рік
грн.
135036

Вартість електроенергії, що виробляється за рік
грн.
148800

Об'єм теплової енергії, що виробляється за рік в кВт.
кВт
595200

Об'єм виробленої теплової енергії за рік в Гкал
Гкал
511,872

Вартість теплової енергії
грн.
89266

Загальні витрати в перший рік
грн.
156000

Загальні доходи в перший рік
грн.
148800

Економія в перший рік експлуатації
грн.
0

Термін окупності
місяці
13


Термін окупності близько року.

Вироблене тепло може потенційно покривати витрати на газ і експлуатацію.

Для максимальної ефективності експлуатації котельної споживання електроенергії повинно бути зведено до мінімуму, якщо не можливий продаж електроенергії на сторону, оскільки спалювання природного газу для отримання тепла менш ефективне. В іншому випадку котли повинні використовуватися для роботи в пікових режимах, а основний об'єм тепла повинні давати електростанції.

В результаті реалізації даного проекту можна зробити наступні висновки.

1. Тепло, одержуване при утилізації роботи газогенератора, використовується на власні потреби біоустановки, а також порядку 10 кВт електроенергії. При таких даних можна використовувати для зовнішніх споживачів від 70 до 80 кВт годин електроенергії.

2. При використовуванні одержуваних добрив за рахунок приросту врожайності як мінімум на 15%, а це робить досяжною окупність проекту в перебігу одного року (сезону).

3. Переробляючи одержувані добрива і виділяючи тверду фракцію для отримання білково-кормових добавок.

Отже, враховуючи перелічені обставини ми маємо можливість знизити термін окупності проекту до 7 місяців при виведенні установки на повну потужність.

Як видно з виконаних розрахунків, упровадження БЕУ приносить значний економічний ефект, що дозволяє за рахунок заощаджених засобів від використання БЕУ підвищити економічний стан і соціальну сферу господарства, а також збільшити об'єм виробництва екологічно чистої сільгосппродукції.


Використані джерела

  1. Веденев А.Г., Веденева Т.А., ОФ „Флюид”. Биогазовие технологии в Кыргызкой Республике. - Б. Типография „Євро”, 2006. - 90с.
  2. Газовые електростанции 100 и 200 кВт. ООО Авторемонтный завод „Син тур-НТ”, Нижний Тагил, 2005г.
  3. Гелетуха Г.Г., Железная Т.А., Марценюк З.А. Концепция развития биоэнергетики в Украине // Пром. теплотехника.- 1999.- Т. 21. - № 6.-С. 94-102.
  4. Матвеев Ю.Б., Уланов М.Н. Опыт эксплуатации крупной биогазовой установки на свиноферме компании "Агро-Овен", Днепропетровская область // Тезисы докладов Второй в Украине международной конференции «Энергия из биомассы», 20-22 сентября.- 2004.- Киев.- С. 247-248.
  5. «Моделист-Конструктор» №1, 1987 год.
  6. «Моделист-Конструктор» №5, 1988 год.
  7. Основи охорони праці / М. П. Гандзюка, Львів “Новий світ – 2000”, 2003. –586 с.
  8. Охрана окружающей среды: Учеб. пособие для студентов вузов / Под ред. Белова С. В. – М. Висш. Школа, 1983. – 264 с.
  9. Решетник В.Я. Производство биогаза. Методичні вказівки. ТДТУ, 2005р.
  10. ссылка скрыта
  11. ссылка скрыта
  12. ссылка скрыта
  13. ссылка скрыта
  14. ссылка скрыта
  15. ссылка скрыта