И эксплуатационных параметров БГУ

     Многочисленные исследования показывают, что существует несколько методик расчета для установок метанового сбраживания отходов различного производства. Расчету БГУ должен предшествовать выбор технологии и конструктивного выполнения, то есть нужно определить и обосновать:

1) температуру брожения (мезофильный или термофилъний процесс);

2) продолжительность брожения;

3) режим заполнения метантенка;

4) систему теплоснабжения метантенка;

5) систему сбора биогаза;

6) технологию загрузки биомассы и разгрузки шлама.

    Например, если выбран мезофильный процесс брожения, то это определяет необходимость удерживать температуру около +32 °С. Продолжительность процесса - 15 суток. Загрузка навоза беспрерывная с ежедневной заменой 1/15 биомассы метантенка. Метантенк может быть изготовлен из бетона. Форма метантенка - цилиндр, покрытый сверху и снизу срезанными конусами. С целью минимизации теплопотерь от метантенка в окружающую среду его теплоизолируют: слоем шлакобетона (0,3м), шлаковой засыпкой (0,5м), земляным валом (1м). Температура в метантенке поддерживается водяным теплообменником. Перемешивание биомассы в метантенке - механическое с электроприводом.       Суточный выход биомассы для сбраживания в метантенке определяется по формуле

                                                                                                                   ,                                                   (5.1)

 

- количество животных данной возрастной и видовой группы, которые содержаться на ферме; - суточный выход навоза от одного животного; n- количество групп животных.

    В зависимости от условий содержания животных к их навозу прибавляется определенное количество примесей: вода, остатки корма, подстилка и пр. Анализ состава навоза животноводческих ферм показал, что в нем содержится до 20-95% технической воды; подстилки - 12-18%; остатков корма 8-12 %, грунта и прочих примесей до 18%, Остатки корма и подстилки влияют на суммарное содержание сухого органического вещества в биомассе, а количество воды определяет ее влажность. Для приближенных расчетов можно использовать поправочные коэффициенты, а содержимое сухих веществ и влажность определяют по табл. 5.1; 5.2; 5.3.                                                 

Таблица 5.1. Суточное количество экспериментов крупного рогатого скота и свиней

Вид животных	Суточное количество экспериментов от одного животного, кг
Быки племенные	40
Корова дойная	35-55
Телята до 6 мес.	7,5-15
Телята на откорме (6-12 мес.)	14-26
Нетели (12-18 мес.)	35
Хряки	9,2-11,1
Свиноматки холостые	8,6-8,8
Свиноматки подсосные	12,5-15,3
Свиньи на откорме до 30 кг.	1,8-2,4
Свиньи на откорме больше 80 кг.	6,2-6,6

                                                                                   

                   Таблица 5.2.     Суточный выход помёта 1 гол. взрослых птиц, г

Куры		Индюки	Утки	Гуси
Яичного направления	Мясного направления
170-200	270-310	450	420	580

                                                                                                                                   

  Таблица 5.3. Состав побочных продуктов в процентах к сухому веществу, %

Компонент	Компонент
	Солома				Ботва
	ячменя	пшеницы	ржи	кукуруза	свеклы	картофеля
Органическая масса	93,8	94,4	95,4	91,7	98,5	78,9
Азот	0,6	0,5	0,5	1,2	2,0	2,3
Фосфор	0,1	0,1	0,1	0,2	0,3	0,2
Калий	1,4	0,8	0,9	2,3	3,6	1,7
Кальций	0,3	0,1	0,2	0,8	1,4	2,6
Клетчатка сырая	43,5	45,5	47,5	33,3	11,5	23,8
Лигнин	15-20	15-20	15-20	5,5	-	-
С/N	84	90-165	80-150	30-65	18	17

                                                                         

       Таблица 2.4 Состав экскрементов животных в процентах к сухому веществу

Компонент	Вид животных
	КРС на откорме	Дойные коровы	Свиньи	Куры
Органическая масса	77-85	77-85	77-85	76-77
Азот	2,3-4,0	1,9-6,5	4,0-10,3	2,3-5,7
Фосфор	0,4-1,1	0,2-0,7	1,9-2,5	1,0-2,7
Калий	1,0-2,0	2,3-2,4	1,4-3,1	1,0-2,9
Кальций	0,6-1,4	2,3-4,9	-	5,6-11,9
Клетчатка (сырая)	27,6-50,6	27,6-50,6	19,5-21,4	13,0-17,8
Лигнин	13-30	16-30	-	9,6-14,3
С/N	9-15	9-15	9-15	9-15

 

    Суточный выход навоза с учётом содержимого прочих примесей (остатки корма, подстилка и пр.) определяется по формуле

                                                                                                     (5.2)

где - поправочный коэффициент (1,3-1,6), учитывающий подстилку и остатки корма.

      Масса сухого вещества в навозе:

                                                                                          (5.3)

где - влажность навоза.

   Масса сухого органического вещества:

                                                                                             (5.4)

- содержимое сухого органического вещества в навозе.

   Выход биогаза при полном разложении (сбраживании):

                                                                                                    (5.5)

где  — содержание сухого органического вещества в экскрементах, %

   Выход биогаза при неполной продолжительности сбраживания:

                                                                                                       (5.6)

где - степень сбраживания субстрата, = 60-70 %.

    Объем метантенка при полной загрузке:

                                                                                                    (5.7)

 где - число загрузки реактора за сутки; - плотность субстракта, кг/м3.

  Плотность навозной массы можно принимать равной плотности воды, так как ее влажность превышает 90 %. Отношение /  должно находиться в пределах 0,7-0,9.

Потери теплоты в метантенке определяются по формуле

                                                                                     (5.8)

где -потери теплоты на подогрев субстрата при температуре брожения; - потери энергии в окружающую среду; - расход энергии на перемешивание субстрата в процессе брожения.

     Количество теплоты, которая расходуется на подогрев загруженной на протяжении суток биомассы до температуры процесса брожения, МДж/сутки, равно:

                                           =                                             (5.9)

Температура загруженной биомассы 1ЛМ зависит от способа ее загрузки в метантенк. Если масса поступает непосредственно из животноводческого корпуса, то ее температура такая же, как в помещении. Если массу для сбраживания берут из хранилища для навоза, то ее температура равна температуре воздуха окружающей среды. Температура брожения зависит от принятого в проекте типа бродильного процесса; для термофильного брожения  = +52... + 54 °С; для мезофильного -  = +32... + 34 °С. Среднее значение теплоемкости субстрата: =4,18 МДж/(кгК)

    Теплопотери от метантенка в окружающую среду, Вт, определяются по формуле

                                                 =                                      (5.10)

где  — площадь наружной поверхности метантенка, м²; к - коэффициент теплопередачи от субстрата к окружающей среде Вт/(м²К); - температура окружающей среды, град.

   Как правило, метантенки имеют цилиндрическую форму. Принимая отношение высоты метантенка к его диаметру H/D= 0,9 -1,3, по значению можно определить .

   Коэффициент теплопередачи находим по формуле

                                                              ,                        (5.11)

 где , - коэффициенты теплообмена на внутреннее и наружной поверхностях метантенка, Вт/(м²К);  - толщина стенки и слоев утеплителей метантенка, м;    - коэффициенты теплопроводности стенки и утеплителей метантенка, Вт/(м К).

   Учитывая, что скорость движения субстрата в процессе его механического перемещения незначительна, можно считать, что процесс теплообмена на внутренней поверхности метантенка происходит при условиях свободной конвекции. Теплопроводность материала, из которого изготовлен метантенк:

    Бетон- λ= 1,74-1,92 Вт/(м К); сталь - λ=74 Вт/(м К). Теплопроводность утеплителей: маты минераловатные - λ= 0,54-1,72 Вт/(м К), пенополиуретан λ= 0,040-0,042 Вт/(м К),. Теплопроводность грунта зависит от его вида, плотности и влажности. Она может быть принята равной для песчаных грунтов 1,1 Вт/ (м К), для глинистых -1,75 и для высоковлажных-2,3 Вт/ (м К).

Тепловую потерю в окружающую среду следует определить для самого холодного и для самого теплого периодов. За расчётную величину принимают их среднеарифметические значения.

Расход энергии на механическое перемешивание субстрата в иетантеке определяют по формуле:

                                                 ,                                         (5.12)

где - удельная нагрузка на мешалку (50 Вт /м³ ч); - объём метантека, м³ ;

- продолжительность работы мешалки на протяжении суток (~8 час)

   Энергия биогаза, которая вырабатывается на протяжении суток:

                                                                                            ^,                                                                 (5.13)

где - теплота сгорания биогаза. Можно принять: = 21-28 МДж/м³

   Общая суточная выработка энергии биогазовой установки, МДж:

                                                                                                   (5.14)

 Коэффициент товарности биогазовой установки,%:

                                                    .                                          (5.15)

 Считают, что биогазовая установка вырабатывает биогаз на протяжении 350 дней. На профилактический ремонт биогазовой установки даётся 15 суток.

     Экономия условного топлива, кг, за счёт полученного в течение года биогаза составляет:

                                                      .                                     (5.16)  

       Формулы (5.1) –(5.16) могут быть спользованы для расчета основных параметров БГУ.

           

                         5.2. Расчет основных параметров БГУ

  Для примера рассчитаем параметры БГУ на примере фермерского хозяйства. Расчет БГУ осуществляется с учетом того, какое сырье используется и где используется полученный биогаз: для отопления, горячего водоснабжения, электроснабжения и т.д. Данные для расчета выработки биогаза в фермерском хозяйстве по разведению крупного рогатого скота приведены в табл. 5.5.

Таблица 5.5. Исходные данные для расчета выработки биогазовой установки

№ п/п	Наименование параметра	Величина	Единицы измерения
1.	Типовые дома	2	шт.
1.1.	Длина дома	20,0	м.
1.2.	Ширина дома	12,0	м.
1.3.	Высота этажа	3,0	м.
1.4.	Количество этажей	2	-
2.	Число жителей	25	человек
3.	Количество КРС	150	коров
4.	Подача сухого сбраживаемого материала от одной коровы	3	кг/сут
5.	Содержание метана в полученном биогазе	65	%
6.	Плотность сухого материала с 1 коровы	50	кг/м3
7.	Время сбраживания	28	сут

    Значения средних температур наружного воздуха по месяцам для г. Астрахани, необходимые для расчета количества тепла для отопления приведены в табл. 5.6.

 Таблица 5.6 Средние температуры наружного воздуха по месяцам для г. Астрахани (Астраханской области)

№	Наименование месяца	Значения	Примечание
1	Январь	-15,1	°С
2	Февраль	-14,8	°С
3	Март	-8,4	°С
11	Ноябрь	-6,0	°С
12	Декабрь	-12,5	°С

   Часовой расход газа, необходимый на отопление

                     Q _от = V q _уд a (t _В - t _Н) n /1.163  0,85                      (5.2.1)          где: V – строительный объем здания, м³; q _{уд –} удельная тепловая характеристика здания, Вт/м³ * °С; a - коэффициент, учитывающий влияние на тепловую нагрузку местных климатических условий;t_в – температура внутри помещения, °С;           t_н - температура наружного воздуха по месяцам в отопительный период, °С; n – число домов;  - теплотворная способность газа, МДж/м³.

Часовой расход газа, необходимый на горячее водоснабжение

Q _гв = N q _сут с (t _г – t _х ) (b + 1) n /24 * 4.187 *   * 0.85                      (5.2.2)

где: N – число жителей, чел.; Q _сут – расход горячей воды одним жителем в сутки, л; с - удельная теплоемкость воды, кДж/кг*°С; t _г – средняя температура воды в водоразборных стояках системы горячего водоснабжения, °С; t _х – температура холодной воды в водопроводе, °С; b - коэффициент, значение которого зависит от протяженности и мощности системы горячего водоснабжения; n – число домов; 0,85 – КПД котельной.

    Результаты расчетов потребляемого газа на отопление и горячее водоснабжение сводим в табл. 5.7.    

 

Таблица 5.7 Результаты расчетов потребляемого газа на отопление и горячее водоснабжение

Месяц	Q от, м3/ч	Q гв, м3/ч	Qтсн, м3/ч
Ноябрь	3,94	1,99	5,93
Декабрь	5,01	2,06	7,07
Январь	5,41	2,51	7,92
Февраль	5,39	2,39	7,78
Март	4,33	2,07	6,40

 

   Таким образом, потребление биогаза в отопительный период составляет oт 8,89 до 11,88 м³/ч. В теплый период при температуре воды 15-25°С расход биогаза на горячее водоснабжение составляет от 1,67 до 2,09 м³/ч. (в среднем. 1,88 м³/ч). Выполним расчет основных параметров биореактора. Масса сухого сбраживаемого материала от всех коров в сутки

m = n _° f = 150 * 3 = 450 кг/сут = 12600 кг/цикл

       Масса сухого сбраживаемого материала от всех коров в полного цикла продолжительностью τ _ПЦ =28 сут

M = m τ _ПЦ = 450*28 = 12600 кг/цикл

Объем жидкой массы, заполняющей биореактор

.                V _f = m / r _M  = 450/50 = 9 м³/сут

         Суммарный объем биореактора с учетом 10 % запаса на газовую прослойку

V _{БР =} V _f * 1.1 = 9 * 1,1 = 9.9 м³

Можно принять биореактор объемом 10 м³.

          Расчет выработки биогаза производится по формуле

V _БГ = a С_СОВ v _БГ r V _БР

где: a - коэффициент, заполнения биореактора, a = 0,90 – 0,98;      

С_СОВ – содержание сухого органического вещества (СОВ),

С_СОВ = 5 – 10 % = 0,05-0,1;

v_БГ - удельный выход биогаза, м³/кг СОВ; r - плотность жидкости в биореактора, кг/м³

V _БГ  = 0,90* 0,10 * 0,6 * 1100 * 9,9 = 588,1 м³

   Объем товарного биогаза, используемого в системах теплоснабжения

V _БГ ^т = h V _БГ = 0,8*588,1= 470,4 м³

    Объем биогаза, используемого на собственные нужды для подогрева биомассы в биореакторе с помощью газового водонагревателя

V _БГ ^СН = (1- h) V _БГ = (1-0,8) 588,1= 117,6 м³

где h - коэффициент использования биогаза на собственные нужды h = 0,8.

   Средний суточный выход товарного биогаза за период сбраживания τ_С 80 % биомассы

V _юбг ^сут = V _бг ^т *0,80 / τ_С, м³/сут

где: τ_С – время сбраживания (τ_С = 14 суток).     

V _БГ ^сут = 470,4*0,80/14 = 26,9 м³/ сут

Средний часовой выход биогаза    

V _бг ^{час =} V _бг ^сут /24 = 26,9/24 = 1,12 м³/ч.

Суточная выработка тепла биогазовой установки                                  

Q _бг ^сут = h тг V _бг ^сут   СН₄  

где: h _{т г} – КПД теплогенератора h _{т г}  = 0,8. СН₄ – содержание метана в биогазе, СН₄ = 65%=0,65; ^– низшая теплота сгорания метана, МДж/м ³ ,

= 35,76 МДЖ/кг.

Q _бг ^сут = 0,8 * 26,9 * 0,65*35,76 = 500 МДж/сут.

   В случае, когда биогаз на собственные нужды не расходуется (за счет использования ВЭУ) объем товарного биогаза будет равен объему вырабатываемого биогаза      

V _БГ ^т = V _БГ = 588,1 м³.

  В этом случае соответственно увеличатся средняя суточная и средняя часовые выработки биогаза и выработка тепла БГУ

   Средний суточный выход товарного биогаза составит

V _БГ ^сут  = 26,9/0,8 = 33,6 м³/ сут

Средний часовой выход биогаза составит                                           

V _бг ^час = 33,6/24= 1,40 м³/ч

Суточная выработка тепла БГУ составит                                  

Q _бг ^сут = 500/0,8 = 625 МДж/сут.

Выработка тепла ВЭУ для подогрева биомассы составляет 125 МДж/сут. Поэтому средняя мощность ВЭУ

  N _ВЭУ = 125*10⁶/24*3600=1446 Вт = 1,446 кВт.

   Может быть использована одна ВЭУ типа АВЭУ-4-6М с номинальной мощностью 4 кВт при скорости ветра 9 м/c с диаметром ветроколеса 6 м.