ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ НА АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЯХ В КООПЕРАТИВНЫХ ХОЗЯЙСТВАХ РЕСПУБЛИКИ КЫРГЫЗСТАН

АННОТАЦИЯ

Формирование высокотехнологичной и конкурентоспособной экономики в значительной степени обусловлено состоянием топливно-энергетического комплекса, который сегодня нуждается в неотложном реформировании. Преодоление кризисных явлений, связанных с исчерпывающими запасами органических энергоресурсов, зависимостью их от импорта, увеличением техногенной нагрузки энергетики на окружающую среду, возможно за счет увеличения в энергобалансе страны доли энергии, сгенерированной из возобновляемых источников энергии. Разнообразные предприятия часто располагают отходами производства, которые могут быть использованы в качестве возобновляемых вторичных энергетических ресурсов. Одним из вариантов эффективной переработки навоза и получения из него ценных продуктов является производство биогаза. Биогазовые технологии позволяют наиболее рационально конвертировать энергию химических связей органических отходов в энергию газообразного топлива. Целью исследования является повышение выхода биогаза в биогазовых установках, работающих на навозе КРС, путем анаэробного сбраживания навоза.

ABSTRACT

The formation of a high-tech and competitive economy is largely due to the state of the fuel and energy complex, which today needs urgent reform. Overcoming the crisis associated with exhaustive reserves of organic energy resources, dependence on their imports, an increase in the technogenic load of energy on the environment is possible by increasing the share of energy generated from renewable energy sources in the country's energy balance. A variety of enterprises often have production waste that can be used as renewable secondary energy resources. One of the options for efficient processing of manure and obtaining valuable products from it is the production of biogas. Biogas technologies make it possible to most rationally convert the energy of chemical bonds of organic waste into the energy of gaseous fuel. The aim of the study is to increase the yield of biogas in biogas plants operating on cattle manure through anaerobic digestion of manure.

Ключевые слова: инженерно-экономический расчет, биогазовая установка, анаэробное брожение, субстрат. 

Keywords: engineering and economic calculation, biogas plant, anaerobic fermentation, substrate.

Введение. На сегодняшний день важную роль играют альтернативные и возобновляемые источники энергии в развитии экономики и сохранении окружающей среды. Одним из таких видов энергии является биогаз. Этот ресурс самовосстанавливается за счет продуктов жизнедеятельности бактерий и микроорганизмов в органических веществах. Экономически целесообразно использовать биогазовые установки (БУ) в сельскохозяйственном производстве потому, что большинство отходов производятся посредством органических веществ. Из чего можно сделать вывод, что использование установок повысит доходы предприятия. Биогаз позволит забыть об использовании угля и газа, что уменьшит вырубку лесов и повысит безопасность, поскольку технология добычи более контролируема, чем добыча газа и угля в шахтах. Есть много информации о современных промышленных и фермерских биогазовых установках, но они либо рассчитаны на большие объемы исходного сырья, либо необходимо затратить большие средства на их изготовление, либо не подходят для нашей аридной климатической зоны. [1-10]

Главной целью работы является расчет биогазовой установки для отходов крупного рогатого скота. Объектами исследования являются органическое производство и биогазовые установки.

1. Понятие безотходного производства

В полном виде понятие «безотходной технологии» было сформулировано на Общеевропейском совещании по сотрудничеству в области охраны окружающей среды (Женева, 1979г.): «Безотходная технология – это практическое применение знаний, методов и средств для того, чтобы в рамках нужд человека обеспечить наиболее рациональное использование природных ресурсов и энергии и защитить окружающую среду». Это определение носило прежде всего декларативный характер. Развитие представлений об окружающей среде и рациональном природопользовании, а также практические задачи привели к необходимости сформулировать новое определение безотходной технологии, принятое на семинаре Европейской экономической комиссии (Ташкент, 1984г.). Под безотходной технологией понимают такой принцип организации производства, при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле «сырьевые ресурсы – производство – потребление – вторичные сырьевые ресурсы» таким образом, что любые действия на окружающую среду не нарушают его нормального функционирования, т.е. экологического равновесия В определении, прежде всего, подчеркивается необходимость использования сырьевых ресурсов в цикле, включающем также и сферу потребления, а это значит, что замкнутым такой цикл может быть только в пределах территориально-производственного комплекса (ТПК). Следовательно, безотходное производство (БП) должно быть практически замкнутой системой, организованной по аналогии с природными экологическими системами. Так, в природных системах продукты жизнедеятельности одних организмов используются другими организмами и в целом осуществляют саморегулирующийся биогеохимический круговорот веществ (БГВ). Основу же БГВ составляет заведомо организованный и регулируемый человеком техногенный круговорот сырья, продукции и отходов. Вторым основным положением БГВ является обязательное включение в производство и потребление всех компонентов сырья. При этом должно быть обеспечено максимально возможное использование потенциала ресурсов, которое, ограничено вторым законом термодинамики. Здесь также проходит прямая аналогия с природными экосистемами, которые, будучи практически замкнутыми, не изолированы, поскольку через них проходит поток энергии, которую экосистемы получают от Солнца, поглощают, трансформируют и излучают в космическое пространство. Таким образом, и БП практически замкнуто, но не изолировано [9]. И, наконец, третьей составной частью концепции БП является сохранение (с учетом возможного теплового загрязнения) сложившегося экологического равновесия, поскольку нанесенный производством вред окружающей среде не должен превышать допустимый уровень [1]. Во вреде понимают фактические и возможные потери в результате негативных изменений окружающей среды, обусловленные антропогенными факторами. При складировании отходов на свалках в Республике Кыргызстан сбор и утилизация биогаза не предусматривались. В то же время опыт западных стран (Германии, Франции, Великобритании, США, Нидерландов, Италии и других) доказывает целесообразность использования газа из свалок [7]. Со временем органическая составляющая, без доступа воздуха, анаэробными бактериями перерабатывается в биогаз, который можно использовать как топливо в различных установках вместо традиционных видов топлива. В настоящее время процесс на свалках неуправляемый. Это обусловлено гетерогенным составом городских отходов, геологическими условиями свалок, технологиями укладки и методами добычи газа. При создании условий способствующих анаэробной ферментации (выбор территории с водонепроницаемым грунтом вокруг свалки, предварительная сортировка отходов для регулирования процесса образования газа, создание газонепроницаемого покрытия на поверхности полигона свалки) и сбора образующегося биогаза (прокладка сборных коллекторов, отделка стен с соответствующей изоляцией для размещение колодцев), из 2 тонн отходов можно производить до 240 м³ биогаза калорийностью 18-25 МДж/м³. Главная проблема животноводства – отходы жизнедеятельности от животных. В исследуемом подсобном хозяйстве используют навоз, собирающийся в желобе в центре помещения фермы и отводящейся в поле. Бесподстилочный навоз относится к категории нестабильных органических загрязнителей и, по данным Всемирной организации здравоохранения, является фактором передачи более 100 видов различных возбудителей болезней животных и людей [5]. Перед тем, как вывезти навоз на поля, его необходимо длительно выдерживать, чтобы обезвредить присутствующую в нем патогенную микрофлору, яйца гельминтов и семена сорняков. Отходы ферм как удобрения использовать нельзя – в них находится до 400 опасных субстанций, включая тяжелые металлы, антибиотики, гормоны, пестициды, а также гребенчатых червей, болезнетворных вирусов и микробов (возбудителей свиной чумы, сальмонеллы, афтозной лихорадки). В то же время в навозе находятся все жизненно важные элементы питания растений, в том числе микроэлементы, поскольку оно образуется из растительных остатков, в которых все эти элементы в том или ином количестве содержатся. На этом основании навоз принято считать полезным удобрением [2].

2. Требования к технологическому процессу производства биогаза

«Метановое сбраживание» происходит при разложении органических веществ в результате жизнедеятельности двух основных групп микроорганизмов. Хотя в этом сложном комплексе преобразований участвует множество микроорганизмов, по некоторым данным – до тысячи видов, но главные из них все-таки метанобразующие бактерии. Они значительно медленнее размножаются и более чувствительны к изменениям окружающей среды, чем кислотообразующие микроорганизмы-бродильщики, поэтому сначала в сбраживаемой среде накапливаются летучие кислоты, а первую стадию метанового сбраживания называют кислотной. Затем скорости образования и переработки кислот выравниваются, так что в дальнейшем разложение субстрата и образование газа идут одновременно [5]. И естественно, от условий, создаваемых для жизнедеятельности метанобразующих микробов, зависит интенсивность газоотделения.

Рисунок 1. Схема брожения органических веществ

При анаэробном сбраживании органические вещества разлагаются без кислорода. Этот процесс включает в себя два этапа.

На первом этапе сложные органические полимеры (клетчатка, белки, жиры и др.) под действием природного сообщества различных видов анаэробных бактерий, разлагаются до более простых соединений: летучих жирных кислот, низших спиртов, водорода и окиси углерода, уксусной и муравьиной кислот.

На втором этапе метанобразующие бактерии превращают органические кислоты в метан, углекислый газ и воду.

Метановое брожение протекает при средних (мезофильных) и высоких (термофильных) температурах.

Наибольшая производительность достигается при термофильном метановом брожении. Особенность метанового консорциума позволяет сделать процесс брожения непрерывным.

Для нормального протекания процесса анаэробного брожения необходимы оптимальные условия в реакторе: температура, анаэробные условия, достаточная концентрация питательных веществ, допустимый диапазон значений рН, отсутствие или низкая концентрация токсичных веществ.

Температура в значительной степени влияет на анаэробное брожение органических материалов. Наилучшее брожение происходит при температуре 30-40°С (развитие мезофильной бактериальной флоры), а также при температуре 50-60°С (развитие термофильной бактериальной флоры). Выбор мезофильного или термофильного режима основывается на анализе климатических условий. Если для обеспечения термофильных температур необходимы значительные затраты энергии, то более эффективно будет эксплуатация реакторов при мезофильных температурах [3].

Метановые бактерии проявляют свою жизнедеятельность в пределах температуры 0-70ºС. Если температура выше они начинают погибать, кроме нескольких штаммов, которые могут жить при температуре среды до 90⁰С. При отрицательной температуре они выживают, но прекращают свою жизнедеятельность. В литературе [8] как нижний предел температуры указывают 3-4⁰С.

Наряду с температурными условиями на процесс метанового брожения и количество получаемого биогаза влияет время обработки отходов.

Биометан состоит из 50-70% метана (CH₄), образующегося из органических субстанций в результате анаэробного и микробиологического процессов. Также в состав биометана входят 12-40% углекислого газа (CO₂) и небольшое количество сероводорода (Н₂S), аммиака (N₂), водорода (H₂) и оксида углерода (CO).

Газ метантенков городских очистных канализационных сооружений (КС) характеризуется более стабильным составом. Объемная доля основного горючего компонента метана на различных очистных сооружениях изменяется от 60 до 65%. Более значительные колебания состава газа можно наблюдать при переработке отходов сельского хозяйства, где объемная доля метана может изменяться от 50 до 75%. Кроме того, при сбраживании сельскохозяйственных отходов образуется достаточно значительное количество сероводорода (до 3%), поэтому перед использованием биогаз необходимо обязательно очистить.

3. Расчет конструктивно-технологических параметров БУ

Определяем суточное поступление биомассы  по выражению:

,  кг/сутки,                                            (1)

 – суточный выход экскрементов от –го вида животных, кг/гол.

  кг/сутки

Определяем долю сухого вещества в биомассе :

,                                            (2)

где   – влажность биомассы, %.

  кг/сутки

Определяем долю сухого органического вещества  по формуле:

,                                                 (3)

где   – часть органического вещества в сухом веществе.

 кг/сут.

Определяем объем метантенка  по формуле:

,                                                  (4)

где   – период сбраживания, сут;

 – плотность биомассы, кг/м³.

  м³

Определяем выход биогаза , м³, при полном разложении сухого органического вещества

,                                             (5)

где     – выход биогаза с 1 кг СОЖ, для коровников  м³/кг

 м³.

Определяем объем полученного биогаза , м³ при выбранном периоде сбраживание:

                                                    (6)

где   – доля выхода биогаза при выбранном периоде сбраживания, =50%.

 м³

Количество биогаза в месяц:

= 30·568=17040 м³.                                      (7)

Количество биогаза в год:

 м³.                            (8)

Определяем объем реактора.

Как правило, метантенки имеют цилиндрическую форму, отношение высоты к его внутреннему диаметру принимается равным .

Принимаем .

Так как

то

   м                                                                  (9)

 4. Определение среднемесячного выхода биогаза

Количество тепла, , МДж, необходимого для подогрева сырья до

температуры процесса сбраживания:

                                  (10)

где   – средняя теплоемкость биомассы, cБМ = 4,18 кДж/(кг· ⁰С);

 – температура процесса сбраживания, ⁰С;

 – температура загруженной биомассы, ⁰С. Принимается равным среднемесячной температуре окружающей среды

Среднемесячное количество тепла:

                                             (11)

где   – количество дней в месяце, = 30 сут.

Количество тепла , Вт, теряемое в процессе теплоотдачи через

стенку метантенка в окружающую среду:

,                                       (12)

где   – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·⁰С);

 – площадь поверхности метантенка, м²;

 – средняя месячная температура воздуха, ⁰С.

Коэффициент теплоотдачи , Вт/(м²·⁰С), определяем по формуле

где   – сопротивление к тепло приёму, = 0,05 (м²·⁰С)/Вт;

 – сопротивление теплоотдаче,  = 0,05 (м²·⁰С)/Вт;

 – толщина i-го слоя ограждения, м;

– коэффициент теплопроводности i-го слоя элемента ограждения,⁰C/Вт.

Площадь поверхности метантенка определяем по формуле:

  , м²                                              (13)

где   – площадь боковой поверхности метантанка, м²;

 – площадь основания метантенка, м².

                                          (14)

  м².                    (15)

 м².

Принимаем, что бетонный метантенк толщиной 0,3м, теплоизоляция выполнена в виде шлакобетона (0,1 м) и земляного вала (1 м).

Тогда коэффициент теплоотдачи будет равен

  Вт/(м²·⁰С)

Переведем количество теряемой теплоты в окружающую среду в МДж/мес.:

,                                     (16)

где     – количество часов в месяце,  часов.

Общий расход электроэнергии на механическое перемешивание субстрата в метантенке   определим по выражению

 , кВт·ч                                          (17)

где   – относительная нагрузка на мешалку,   Вт·ч/м³

 – объем метантенка, м³;

 – продолжительность работы мешалки,  = 8 часов в сутки.

 кВт · час.

Переводим полученное значение в МДж/мес:

   МДж/мес.     (18)

Общие затраты энергии на поддержание процесса в месяц:

  ,  МДж/мес,                              (19)

Количество биогаза, необходимого для поддержания процесса:

, м³/мес,                                            (20)

Товарное количество биогаза  , м³/мес. Будет равно

 ,                                               (21)

Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Произведенное количество биогаза в опытном хозяйстве по месяцам года

5. Результаты исследования

Теплота сгорания 1 м³ биогаза составляет 25 кДж/м³. Итак, сжигание 1 м³ биогаза эквивалентно 0,8 м³ природного. Количество природного газа, сэкономленного за счет переработки органических отходов фермы КРС через год составит:

                                         (22)

 м³                               (23)

Годовая экономия составит:

                                               (24)

где  С – цена 1 м³ природного газа, сом

=22,39·123058=2755269 сом

Срок окупаемости

 ,                                                     (25)

где   – дополнительные капиталовложения, сом.;

Эр – годовая экономия, сом.

 года                                            (26)

Годовой экономический эффект

,                                              (27)

где   – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, .

 сом. 

6. Обсуждение и заключение

В работе на основе проведенных экспериментальных исследований совместного брожения жидких отходов газификации биомассы с коровьим навозом и расчет динамики выхода биогаза решена научная задача энергоэффективной переработки конденсата в биогазовой установке путем превращения органического вещества конденсата в биогаз. Полученные результаты массовой доли конденсата и содержания сухого вещества в субстрате и прогнозных значений выхода биогаза в зависимости от времени нахождения субстрата в реакторе были использованы при определении энергетической эффективности работы биогазовой установки. В данном исследовании был произведен расчет электроснабжения и электрооборудования животноводческой фермы на 420 голов крупного рогатого скота с разработкой и внедрением соответствующего программного обеспечения. Произведен расчет БУ для отходов КРС. Проведённая технико-экономическая оценка показала, что предложенные решения позволят получить годовой экономический эффект в размере не менее 1450 тыс. сом., и годовую экономию за газ – 2770 тыс. сом., а срок окупаемости составляет 3,5 года.

Как показывают результаты теоретических и экспериментальных исследований, повышение эффективности метанового брожения биомассы обеспечивается БУ на основе оптимизации следующих параметров: объемов загрузки каждого вида биомассы, степени их деструкции (кавитации), температуры, влажности, рН и качества перемешивания. субстрата в каждом модуле БУ

Разработка позволила определить целесообразность переработки побочных продуктов животноводства в биогаз и перспективы его использования для генерации электроэнергии для обеспечения потребности хозяйства в тепловой энергии и выполнить расчет биогазовой установки для отходов крупного рогатого скота.

Список литературы:

1. Авизов А. Х., Синяк Ю. В. Экономическая эффективность технологии конверсии биомассы в топливо и удобрения. Биотехнология кормопроизводства и переработки отходов. Рига. 1987. С. 197– 202.
2. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки. / пер. з англ.Москва : Агропромиздат, 1987. 152 с.
3. Врагова Е.В., Синьминь Ню. Расчетные методы оценки работы биогазовых установок // Новосибирск: Инновации в жизнь № 1  2013г. С.39-51
4. Диксон Д., Скура Л., Карпентер Р., Шерман П. Экономический анализ воздействий на окружающую среду / Москва : Витапресс, 2000. 270 c.
5. Проценко П.П., Николаева Т.А. Оценка эффективности применения биогазовых установок в Амурской области// Вестник АмГУ выпуск 89, Благовещенск, 2020 c.82-87
6. Фрейдкина Е.М. Оценка эффективности энергосберегающих мероприятий: учебное пособие / ВШТЭ СПбГУПТД – СПб., 2018. – 80 с.
7. Abbasi T., Tauseef S. M., Abbasi, S. A. Biogas energy. Springer science and business media. 2011. № 2.
8. Eder Barbara. Biogas-Praxis: Grundlagen, Planung, Anlagenbau, Beispiele, Wirtschaftlichkeit /Barbara Eder, Heinz Schulz; mit Beiträgen von Andreas Krieg. 3. vollständig überarbeitete underweiterte Aufl. - Staufen bei Freiburg: Ökobuch, 2006. - 238 str.
9. Vandevivere P., De Baere L., Verstraete W. Types of anaerobic digesters for solid wastes // Biomethanization of the Organic Fraction of Municipal Solid Wastes, J. Mata-Alvarez, Editor. — Barcelona: IWA Publishing, 2002. — Р. 111−140.
10. Weiland P. Biogas production: Current state and perspectives. Applied microbiology and biotechnology. 2010. P. 849-860.