автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Научно-технические основы создания автономных биоэнергетических установок для крестьянских хозяйств в горных районах Киргизии

На правах рукописи

Осмонов Орозмамат Мамасалиевич

Научио-технические основы создания автономных биоэнергетических установок для крестьянских хозяйств в горных районах Киргизии

Специальность 05.20.01. - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 6 ПАЙ 2013

Москва-2012

005058675

Работа выполнена а Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П.Горячкина» (ФГБОУ ВПО МГАУ).

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Рудобашта Станислав Павлович

Официальные оппоненты:

Кирсанов Владимир Вячеславович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина», профессор кафедры «Технологии и механизация животноводства»

Виссарионов Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт», профессор кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

Захарченко Анатолий Николаевич, доктор технических наук, профессор, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А.Тимирязева, профессор кафедры «Механизация растениеводства»

Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всерос-

сийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (ГНУ ВИМ) Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится 29 апреля 2013 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д.220.044.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» по адресу: 127550, Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16а, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина».

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

А.С. Дорохов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Быстрорастущие экологические проблемы и дефицит традиционных топливно-энергетических ресурсов делают актуальным использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (ВИЭ). С другой стороны, изменение структуры сельскохозяйственного производства в связи с переходом на рыночные условия обусловило увеличение количества мелких крестьянских хозяйств. При решении вопросов энергообеспечения быта крестьянские хозяйства в отдаленных горных районах Киргизии испытывают потребность в привозных топливных материалах.

Небольшая потребляемая мощность бытового технологического оборудования (потребности в энергии на бытовые нужды семьи из 4...5 человек в сельской местности составляют около 100 МДж в сутки) предопределяет широкое использование местных ВИЭ, в том числе биогаза, получающегося в процессе анаэробной переработки органических отходов сельского хозяйства. При этом наряду с энергетическим аспектом (получение газообразного топлива), большое значение имеют экологические (прекращение вырубки леса в качестве бытового топлива и обеззараживание отходов) и агрохимические (получение органических удобрений для предотвращения снижения плодородия почвы) аспекты

применения биогазовой технологии.

В настоящее время разработаны и функционируют большое количество установок по выработке биогаза из органических отходов в различных странах. Однако большинство научно-обоснованных биогазовых реакторов предназначено для переработки отходов крупных животноводческих комплексов и предусматривает подогрев сбраживаемой биомассы применением электроэнергии от централизованных сетей, что сдерживает эффективную утилизацию отходов крестьянских хозяйств, рассредоточенных в регионах с отсутствием централизованного энергоснабжения.

Поэтому разработка автономных биоэнергетических установок (БЭУ) с подогревом сбраживаемой биомассы за счет местных ВИЭ является актуальной проблемой, решение которой вносит вклад в направление эффективной утилизации отходов с обеспечением экологической безопасности в сельскохозяйственном производстве труднодоступных регионов.

Данная работа выполнена в рамках реализации: научно-технической программы Всероссийского НИИ электрификации сельского хозяйства на 1992-1998 г.г. (Госзаказ Россельхозакадемии) «Новые источники энергии», раздел 08.2. «Обосновать и разработать технологию и технические средства автономного энергоснабжения пастбищного и отгонного скотоводства без применения внешних источников энергии»; проекта «Исследование и разработка технологии создания новых источников энергии на основе местных минерально-сырьевых и природных ресурсов» Государственного агентства по науке и интеллектуальной собственности при Правительстве Кыргызской Республики; Международной научной программы НАТО «Наука во имя мира» SfP Project 972296 «Разработка энергетической установки с двигателем Стерлинга мощностью 3 кВт с комбинированным солнечно-газовым теплоподводом».

Целью работы является разработка научно-технических основ создания автономных биоэнергетических установок для крестьянских хозяйств в горных районах Киргизии.

Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:

• на основе анализа теоретических аспектов осуществления биометаногене-за и потенциала местных возобновляемых источников энергии разработать технологическую схему автономной биоэнергетической установки с непрерывным режимом сбраживания;

•установить теоретически обоснованные решения для определения потребного объема биогазового реактора и параметров технологического оборудования его энергообеспечения;

• выполнить экспериментальные исследования по обоснованию технологического режима анаэробного сбраживания в автономной биоэнергетической установке;

• разработать прогрессивные технические решения для утилизации продуктов анаэробной конверсии органических отходов сельского хозяйства;

• разработать методику инженерного расчета и оценки технико-экономической эффективности автономных биоэнергетических установок.

Объект исследования - технологии и технические средства анаэробной переработки органических отходов животноводства.

Предметом исследований являются системы анаэробной переработки органических отходов животноводства в крестьянских хозяйствах с отсутствием централизованного энергоснабжения.

Методика исследований. Исследования проведены на основе общих положений проведения научно-исследовательских работ с использованием теоретических основ теплотехники, биометаногенеза, физико-математического моделирования и математической обработки результатов.

Область исследования соответствует пунктам 8 «Разработка технологий и технических средств для обработки продуктов, отходов и сырья в сельскохозяйственном производстве» и 11 «Разработка инженерных методов и технических средств обеспечения экологической безопасности в сельскохозяйственном производстве» Паспорта специальности ВАК 05.20.01. - Технологии и средства механизации сельского хозяйства.

Научную новизну работы составляют:

- технологическая схема анаэробной переработки отходов крестьянского хозяйства в малогабаритных биогазовых реакторах с непрерывным режимом сбраживания, предусматривающая использование местных возобновляемых источников энергии для осуществления биометаногенеза;

- методика инженерного расчета автономной биоэнергетической установки, содержащая: установленную аналитическую зависимость для определения потребного объема биогазового реактора для крестьянских хозяйств; аналитические зависимости по взаимосвязанному определению полезной площади солнечных коллекторов и объема аккумулятора теплоты для покрытия тепловой нагрузки биогазового реактора;

- разработанная методика теплотехнического расчета топочно-горелочного устройства для сжигания биогаза в системе теплоподвода двигателя с внешним подводом теплоты.

Практическую ценность работы представляют:

- классификация БЭУ по производительности и виду применяемых источников энергии для осуществления биометаногенеза;

- методика инженерного расчета автономных биоэнергетических установок для сельских потребителей;

- новые технико-технологические решения по утилизации продуктов анаэробной переработки органических отходов сельского хозяйства.

Новизна технико-технологических решений защищены патентами на изобретения (патенты РФ на изобретение №2253211, №2284967, №2306478).

Достоверность результатов исследований по разработке автономных биоэнергетических установок подтверждается выполненным анализом энергетических затрат и корректностью постановки задач исследования, соответствием теоретических разработок фундаментальным положениям биометаногенеза и теплотехники.

Личное участие автора в получении научных результатов. Автор являлся основным исполнителем на всех этапах данной работы, включая постановку задач исследований. Все работы (теоретический анализ проблемы, разработка технологий, математической модели и методики инженерного расчета, выполнение экспериментальных исследований, разработка технических решений биоэнергетических установок, изготовление и испытание опытного образца установки) проведены при личном и непосредственном участии автора.

Реализация результатов работы. Полученные результаты исследований по диссертационной работе внедрены при разработке биоэнергетических установок для фермерского хозяйства с содержанием 500 голов крупного рогатого скота (КРС) и крестьянского хозяйства с содержанием 18 голов КРС в условиях высокогорных пастбищ (Алайский район Ошской области). Результаты работы внедрены также в учебный процесс подготовки инженеров по специальностям «Энергообеспечение предприятий», «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» , «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» в ФГБОУ ВПО МГАУ, в Ошском государственном и технологическом университетах.

Основные положения, выносимые на защиту:

•Технологические схемы автономных биоэнергетических установок, разработанные на основе комплексного подхода к обеспечению потребностей в энергии биогазового реактора и крестьянского хозяйства.

• Аналитические зависимости по определению потребного объема биогазового реактора и параметров технологического оборудования его энергообеспечения посредством местных возобновляемых источников энергии.

•Технические решения компонентов биоэнергетической установки, направленные на повышение энергетической эффективности применения биогазовой технологии переработки органических отходов.

•Результаты экспериментальных исследований по обоснованию технологического режима анаэробного сбраживания в биоэнергетической установке с солнечным энергообеспечением.

•Методика инженерного расчета и оценки технико-экономической эффективности автономных биоэнергетических установок.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на: Международной научной конференции «Современное состояние научных исследований в Кыргызстане» (2001г., г.Бишкек); VIII Международном Симпозиуме «Техника экологически чистых производств в XXI веке» (2004г., г.Москва); 5-й Международной теплофизической школе: «Теплофи-зические измерения при контроле и управлении качеством» (2004г., г.Тамбов); Международной конференции «Energy considerations in Central Asia and Europe» (2004г., г.Ташкент); Международной научно-практич. конф. «Агроэкологиче-ские проблемы использования органических удобрений на основе отходов промышленного животноводства» (2006г., г.Владимир); 5-й Международной науч-но-технич. конф. «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (2006г., г.Москва); Всероссийской научно-практич. конф. «Актуальные проблемы развития АПК» (2006г., г.Саратов); V-й Международной конф. «Проблемы промышленной теплотехники» (2007г., г.Киев), Международной научно-практич. конф. «Биоэнергетика: экологические, экономические и технологические аспекты» (2008г., г.Москва); Международной конф. «Biofuels for energetic 2009» (2009г., г.Прага, Чехия); IV-й Международной научно-практич.конф. «Современные энергосберегающие тепловые технологии» (2011г., г.Москва); Международной научно-практич.конф. «Инновационные энергосберегающие технологии» (2012г., г. Москва).

Публикации. По содержанию диссертационной работы опубликованы 42 работ, в том числе 14 в научных изданиях, рекомендованных ВАК, одна монография объемом 11 п.л., одно учебное пособие объемом 3 п.л„ 5 патентов на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключений, списка литературы и приложений. Работа изложена на 251 страницах основного текста, включает 77 рисунков и графиков и 35 таблиц.

Значительный объем экспериментальных исследований по работе был выполнен на базе лаборатории биоэнергетических установок ГНУ ВИЭСХ, автор выражает глубокую благодарность руководству института, лично д.т.н., профессору [А.А.Ковалеву! и сотрудникам названной лаборатории за помощь в организации и проведении исследований.

Содержание работы

Глава 1. «Предпосылки для использования биоэнергетических установок. Постановка цели и задач исследования». Рассмотрено значение биогазовой технологии переработки отходов животноводства для комплексного решения взаимосвязанных энергетических, экологических и агрохимических проблем в горных районах Кыргызской Республики (КР).

Исключительно важное значение в экономике КР имело и продолжает иметь животноводство, что обусловлено наличием больших массивов высокогорных пастбищ и сенокосов (около 90% всех сельскохозяйственных угодий с площадью 9,6 млн.га или 45% территории страны). По данным РАО (на 2010 г.) более 90% хозяйствующих субъектов в сельском хозяйстве КР составляют около 300 тысяч индивидуальных крестьянских хозяйств, и актуальным является энергообеспечение их быта с учетом экологических требований.

При этом особой проблемой является энергообеспечение быта значительного количества крестьянских хозяйств в горных районах с апреля по октябрь месяцы года (переход в условия отгонно-пастбищного животноводства - в связи с весенне-полевыми работами и до окончания сбора урожая, в т.ч. числе урожая сенокосных угодий). Энергообеспечение крестьянского быта в эти периоды года осуществляется при отсутствии возможностей подключения к централизованным электросетям (табл. 1) и свыше 90% потребностей в бытовом топливе обеспечиваются за счет вырубки лесонасаждений, приводящей к нарушению экологического баланса и опустыниванию пастбищных угодий с усилением процессов эрозии почвы. При этом перегруженность пастбищ из-за неумеренного выпаса животных привела к снижению высоты травостоя (не превышает 15-20 см) с соответствующим снижением урожайности и увеличению доли не поедаемых животными сорных растений.

Таблица 1 - Характеристики объектов отгонного животноводства в горных районах КР

Наименование Пределы изменения Количество В % от общего

показателя показателя объектов количества

Высота расположения над До 2000 587 48,2

уровнем моря, м 2001... 3000 546 45,1

свыше 3000 81 6,7

Расстояние до сети централи- 2...10 103 8,5

зованного электроснабжения, 10...20 483 39,8

км 20...40 628 51,7

Поголовье животных в хозяй- 5...10 792 65,2

стве, усл.голов КРС больше 10 422 34,8

Возникшие проблемы вызывают необходимость изыскания альтернативных путей энергоснабжения быта рассредоточенных потребителей в горных районах за счет местных ВИЭ, в том числе биогаза, получающегося в процессе анаэробной конверсии органических отходов сельского хозяйства.

Выполнен анализ работ Т.Я.Андрюхина, П.В.Богданова,

С.Д.Варфоломеева, П.И.Гриднева, Г.А.Заварзина, А.Н.Захарченко, С.В.Калюжного, В.В.Кирсанова, А.А.Ковалева, А.Н.Ножевниковой, Е.С.Панцхавы, В.Баадер, М.Е.Беккер, Е.Хасимото и др., посвященных исследованиям процессов переработки органических отходов животноводства.

С технологической точки зрения анаэробная переработка органических отходов с получением биогаза может быть представлена как двухстадийный процесс (рис. 1), требующий обеспечение необходимого температурного режима сбраживания за счет подвода теплоты от внешнего источника энергии.

Анализ удельных затрат энергии на процесс анаэробного сбраживания в биогазовых реакторах показывает (рис. 2), что основная часть энергии (более 75%) расходуется на подогрев субстрата до температуры выбранного режима сбраживания и на компенсацию тепловых потерь через ограждающие конструкции реактора. Для малогабаритного биогазового реактора, предназначенного к обеспечению потребностей в топливе на бытовые нужды локальных потребителей (потребности в переводе на биогаз составляют 3...5 м7сутки), можно обойтись механической загрузкой, перемешиванием и выгрузкой сбраживаемого субстрата и основную трудность представляет создание необходимого теплового режима внутри камеры анаэробного сбраживания (метантенка). В большинстве работ по исследованию биогазовых систем для этой цели рассматриваются способы подогрева сбраживаемого субстрата с использованием электрической энергии от централизованных электросетей.

Вода (Н20)

Органическое вещество

Теплота от внешнего источника энергии

Vу

Кислотогенная стадия (Этап созревания метаногенного биоценоза)

ЗИ

Метаногенная стадия (Этап метанообразования)

Биогаз: СН4+С02+ Н,5

Сброженный субстрат -органическое удобрение

Рисунок 1 - Схема процесса анаэробной переработки отходов животноводства

1 - расход энергии на подогрев

биомассы и на компенсацию теплопотерь;

2 — расход энергии на переме-

шивание, загрузку и выгрузку биомассы.

Рисунок 2 - Структура затрат энергии биогазового реактора (мезофильный режим сбраживания)

Учитывая условия функционирования крестьянских хозяйств (количество животных в хозяйстве, небольшие потребности в энергии на бытовые нужды и отсутствие централизованного электроснабжения) в целях энергообеспечения их быта нами сформулирована концепция создания малогабаритных автономных биоэнергетических установок (АБЭУ).

Предлагаемая концепция АБЭУ предусматривает обеспечение энергетического баланса:

£>6эу кх £Т.МТ+ ¿-эл.кх ¿'ЭЛ.МТ? ( ' )

где ЕъзУ - суммарное количество энергии вырабатываемой АБЭУ, Дж; Егкх - потребности в тепловой энергии на бытовые нужды крестьянского хозяйства, Дж; Егт - потребности в тепловой энергии биогазового реактора АБЭУ, Дж; £мкх, £,л.иг - потребности в электрической энергии, соответственно, на бытовые нужды крестьянского хозяйства и самого биогазового реактора, Дж.

Составленная классификация БЭУ (рис. 3), анализ потенциала ВИЭ в КР (рис. 4) и предварительные теоретически-экспериментальные исследования автора (1991... 1995 г.г., ВИЭСХ) по созданию БЭУ с использованием теплоты

аэробного разложения биомассы показали, что в целях создания автономной БЭУ с эффективным непрерывным режимом сбраживания наиболее подходящим источником энергоснабжения биогазового реактора является энергия солнечного излучения (СИ).

При этом кроме повсеместности наличия высокого потенциала СИ в условиях горных районов (более 270 солнечных дней в году), важным основанием для такого вывода являются следующие факторы: с увеличением высоты расположения местности над уровнем моря интенсивность СИ увеличивается (табл. 2); существуют технические возможности одновременного получения и тепловой и электрической энергии преобразованием солнечного излучения.

Рисунок 3 - Классификация биоэнергетических установок

1300 (энергия биомассы)

Ц 490 (солнечная энергия)

I 45 (энергия ветра) J 0,8 (геотермальная энергия)

1 - навоз КРС: 3547 тыс.

(64,5% общего объема отходов);

2 - навоз MPC: 1072 тыс. (19,5%);

3 - конский навоз и пр.: 880 тыс. (16%).

Рисунок 4 - Потенциал местных ВИЭ (ГВт ч/год) и ресурсы биомассы в виде отходов животноводства (тонн/год) в Киргизии

Таблица 2 - Солнечная радиация и продолжительность солнечного сияния

в зависимости от высоты расположения местности над уровнем моря

Ata изометрическая станция Суммарная солнечная радиация за год, МДж/м2 Высота над уровнем моря, м Продолжительность солнечного сияния, ч/год

Бишкек 5560,1 766 2590

Чолпон-Ата 5685,8 1616 2804

Суусамыр 5845,0 2061 2660

Тянь-Шань 6921,8 3601 2606

Бытовые потребности в энергии крестьянских хозяйств относительно небольшие И на основе обследования среднемесячного электропотребления колеблется в пределах 120... 135 кВтч/месяц (4,5 кВт-ч/сут). В предположении, что необходимо обеспечить гарантированный минимум потребностей в тепловой и электрической энергии в объеме 4,5 кВт ч/сут, осуществление предложенной концепции АБЭУ возможно с учетом наличия сырьевой базы (рис. 5).

- значительную долю энергопотребностей (около 75%) крестьянского жилища (расход энергии на приготовление пищи и получение горячей воды на бытовые нужды) можно обеспечить за счет тепловой энергии биогаза.

- обязательный минимум электрической энергии (освещение, телевизор, циркуляционный насос и т.п.) предусматривается получить за счет комбинированного использования местных ВИЭ в составе АБЭУ.

Требуемый энергетический баланс: £бэу = £т.1СХ + £эл.кх + £т.мт + £зл.мт --1 1

— Энергия для бытовых нужд: Е, „ + £,л.„ = 4,5 кВт-ч/сут -1-----1 Энергия на процесс биометаногенеза: Яг хт + £>л МТ =/( ^«Т, 'сбр, . .) -1 *

ЕтМ= 3.375 кВт-ч/сут

т:

„,„,= 1,125 кВт-ч/сут

т:

Компоненты АБЭУ (источники энергии):

Метантснк (МТ)

+

Солнечная батарея

Солнечный коллектор

Требуемая производительность АБЭУ по биогазу: г = I.83 м3/сут + резервирование

Наличие сырья (дозы суточной загрузки МТ) в пастбищных условиях

Органические отходы от 5 голов КРС на месте их ночного содержания

Исходной влажности (65...70%): 50 кг/сут

Объем сырья требуемой влажности 92%: 0,189 м3/сут

Рисунок 5 - Структурная схема обеспечения энергопотребностей крестьянского жилища посредством АБЭУ

Однако условия энергообеспечения метантенка в зависимости от достаточно большого количества факторов (объема и конструкции метантенка темпера туры процесса сбраживания, дозы суточной загрузки биомассы и т.д.), при ис пользовании для этих целей солнечного излучения, недостаточно изучены. Ис следования, проведенные ранее в этом направлении, непосредственно не каса

ются условий рассредоточенных потребителей в горных районах. В частности, необходимо решение вопросов: выбора рациональной технологической схемы автономной БЭУ с учетом энергоснабжения быта в крестьянском хозяйстве; обоснования параметров технологического оборудования при использовании для поддержания необходимого температурного режима в МТ местных ВИЭ; применения новых технических решений, позволяющих достичь повышение эффективности утилизации биогаза.

Исходя из вышеизложенного нами сформулирована цель работы и поставлены основные задачи для достижения поставленной цели, представленные выше в общей характеристике диссертационной работы.

Глава 2. «Технологическая схема биоэнергетической установки и моделирование системы солнечного энергообеспечения метантенка».

Согласно технологической схеме АБЭУ (рис. 6), для процесса сбраживания предварительно подготовленных в емкости 1 органических отходов с получением биогаза используется энергия солнечного излучения.

Рисунок 6 - Технологическая схема АБЭУ:

СИ - солнечное излучение; БМ - исходная биомасса;

СБМ - сброженная биомасса; ТН - теплоноситель;

БГ - биогаз; ЭЭ - электроэнергия; ЭП - энергопотребитель.

В результате циркуляции теплоносителя (нагретой в солнечном коллекторе 4 воды) обеспечивается необходимый температурный режим процесса сбраживания биомассы, загружаемой в МТ 2. В процессе анаэробной бактериальной деструкции органических веществ биомассы в МТ выделяется биогаз, который накапливается в газгольдере 6 для дальнейшей утилизации (после удаления из состава биогаза Н28 в узле очистки 7) на бытовые нужды. Сброженный субстрат из МТ через накопительную емкость 5 поступает на сельскохозяйственные угодья в качестве органического удобрения. Для обеспечения работы АБЭУ в периоды отсутствия солнечного излучения предназначен аккумулятор теплоты (АТ) 3. Кроме того, для этих же целей предназначен также водонагреватель 8, работающий от электроэнергии, получаемой посредством батареи фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) 9 через аккумуляторную батарею 10 и инвертор напряжения 11. Утилизация биогаза предусматривает, что основная часть биогаза используется в бытовых газовых приборах; часть - резервируется для сжигания в целях энергоснабжения самого метантенка.

В соответствии с концепцией построения малогабаритной БЭУ, целесообразно применение метантенка (МТ) с минимально необходимой вместимостью и возможностью кратного наращивания мощности. В идеальном случае, производительность МТ по биогазу должна обеспечивать баланс между потребностью хозяйства в энергии и выходом биогаза при сбраживании отходов:

1'ог ~ ^пг.сут ) (2)

где Уог - производительность МТ по биогазу, м3/сут; КГ1ГС;т - потребность в газообразном топливе на бытовые нужды крестьянского хозяйства, м3/сут. Очевидно, что такого соответствия добиться трудно и для выравнивания колебаний в потреблении и выработке газа в технологической схеме БЭУ обязательным компонентом является газгольдер.

Установленная в результате моделирования аналитическая зависимость, позволяющая определить необходимый минимальный объем МТ для обеспечения потребностей в биогазе крестьянского хозяйства имеет следующий вид:

Кг = [^уатагк1,(1+Р)]/(ксЕгиг). } (3)

где //уд - удельная норма расхода природного газа для бытовых нужд, м /(чел сут); т,„ - количество потребителей газа, чел.; кр - коэффициент, учитывающий резервирование биогаза для теплопотребностей биогазового реактора; р - коэффициент объемного расширения сбраживаемой биомассы; кс - коэффициент, учитывающий соотношение теплот сгорания природного газа и биогаза, в зависимости от содержания в последнем СШ (с учетом теплоты сгорания природного газа 33,5 МДж/м3 для биогаза содержащего 56% СН4 и имеющего теплоту сгорания 20 МДж/м3 рекомендуется значение кс = 0,6); сг - коэффициент, учитывающий долю объема метантенка занимаемую выделяющимися при анаэробном сбраживании газами, (м'биомассь/м'мт); "г - интенсивность газовыделения с единицы полезного реакторного объема при сбраживании биомассы, м35„опца/(м „г-сут).

При проектировании солнечной системы теплоснабжения метантенка необходимо было установление оптимальной емкости аккумулятора теплоты (АТ) при заранее определенных значениях Кмт и его тепловой нагрузки, площади солнечного коллектора (СК) с учетом поступления солнечной радиации.

Уравнение теплового баланса для МТ, СК и отопительного дублера (в нашем случае водонагревателя, работающей от электроэнергии, получаемой посредством ФЭП) за произвольный промежуток времени (г) работы установки имеет вид:

Ет.мт(т) = £<мс(г/+ Еф), (4)

где Ят мтм - теплопотребность процесса анаэробного сбраживания в МТ за промежуток времени г, Дж; ЕСф) и Ел(,/ - теплопроизводительность СК и отопительного дублера за тот же промежуток времени, Дж.

В свою очередь: £ск(г; = ЕсиЫ (5)

где Есф) - энергия солнечного излучения поступающего на поверхность СК за промежуток времени г, Дж/м2; - площадь лучевоспринимающей поверхности СК, м2; //„ - КПД СК.

После введения обозначений (6 = £тмт<г/£ск«) И (Н'й = £д(г/£г.мт<т.)) С учетом выражения (5) уравнение теплового баланса (4) можно записать в виде

Ц/а = 1- ¿Г* = 1-[£с„(гЛск(^ск/£т мт(,)] • (6)

В правой части выражения (6) отношение (17СК/Ет ыг<т)) для конкретных случаев определяется с учетом динамики теплопотребности МТ и газовыделения при анаэробном сбраживании. Экспериментальными исследованиями установлено, что для МТ с непрерывным режимом сбраживания характерно наличие трех эксплуатационных периодов (рис. 7), при этом период нагрева биомассы в

МТ до температуры режима сбраживания (период запуска установки) - наиболее энергоемкий (кривая £т мт суточной теплопотребности).

К6г, м3/сут

1,2 -

0,9 -

0,6 •

0,3 -

9 12 15 18 2

24 27

•60

----------£т.мт<3!

3

6

т, сутки

/

и

ПІ

Рисунок 7 - Динамика теплопотребности на процесс (Qm) и выделения

биогаза (Г6г) для МТ с непрерывным режимом сбраживания: /- период первоначального нагрева биомассы (БМ);

II-период циклического сбраживания без загрузки новой дозы БМ;

III- период непрерывного сбраживания с загрузкой/выгрузкой суточной дозы БМ.

Энергообеспечение наиболее энергоемкого и относительно кратковременного периода / нагрева биомассы в МТ до температуры сбраживания (период запуска установки) целесообразно осуществить за счет совместного применения основной и дублирующей систем энергообеспечения. Тогда основная система теплоснабжения (СК и АТ) рассчитывается с учетом обеспечения суточной тепловой производительности (£т „т<з), Дж) на основе уравнения:

£тито) = Кд,с6р6 (2tc-t„) + 2{FmTcyT(teírt0)/Rr}+V6¿T6r. (7)

где V„ - объем суточной дозы загружаемой в МТ биомассы, м3; Сб„ - теплоемкость сбраживаемой БМ, Дж/(кг-К); - температура сбраживания БМ, К; /„ - температура подаваемой на сбраживание исходной БМ, К; FMT - площадь ограждающих поверхностей МТ, м2; гсут - время, за которое определяются потери теплоты (в нашем случае, за сутки), с; Лф и /0 - соответственно средние значения температуры теплоносителя в водяной рубашке МТ и окружающей среды, К; RT - термическое сопротивление теплоизоляции МТ, (м2К)/Вт; Va, - суточный объем выделившегося биогаза, м3; с' - объемная теплоемкость биогаза, Дж/(м3-К); Г5г - температура биогаза на выходе из МТ, К;

Для этого случая в результате моделирования получены следующие выражения по взаимосвязанному определению параметров МТ, СК и АТ в зависимости от дневного количества поступающей солнечной радиации: площадь лучевоспринимающей поверхности СК (FCI, м2):

FCK= [Гдзс6рб(2/С- tK) + 2 {FurTcyT(tep-l0)/RT}+У&гс'Т6ЖЕс^ Я) (8)

объем бака-аккумулятора теплоты (V„, м3):

^ат=/ак/ГсЛсакрак) = (2/3)[£гт<з/(Д'«Сакрак)], (9)

где £СИ(Гд) - энергия солнечного излучения поступающая на поверхность СК в течение дня, Дж/м2;/„ = (Ca,-c»)/Fc, - аккумулирующая способность аккумулятора теплоты, отнесенная на единицу поверхности СК, Дж/(м2 К);ра, См, Сак - плотность (кг/м3), масса (кг) и теплоемкость (Дж/(кг К)) аккумулирующей среды в АТ; Д/„ - разность температур в начале и конце зарядки или разрядки АТ, К.

Критерий оценки автономности работы МТ за счет теплоты вырабатываемой СК в виде фактического коэффициента замещения тепловой нагрузки Азф процесса сбраживания с учетом (6), выражается зависимостью:

*зф=(1/3)[1^акД/аД £с„(гд,>7СК)]- СО) -

В предположении, что доля дублирующего источника энергии составляет 15% от общей тепловой нагрузки биогазового реактора, условием применимости выражения (10) является: А,.ф < ктргсч = 1 - v|/d = 0,85. При этом необходимо экспериментально установить величину Д/а1С, достаточную для обеспечения автономности теплоснабжения МТ за счет теплоты вырабатываемой СК.

Количество солнечных модулей фотоэлектрической системы (ФЭС) АБЭУ устанавливается в зависимости от величины суточного электропотребления в крестьянском хозяйстве:

/)ГР(о, 00

где WM. - потребности в электрической энергии метантенка и для бытовых нужд крестьянского хозяйства, Вт ч; Р„ w - номинальная мощность /-той нагрузки (устройства-потребителя электроэнергии), Вт; гр (1) - суточное время работы /-той нагрузки, ч.

Энергия, вырабатываемая солнечной модулю (fVCM, кВт-ч) за солнечный день, исходя из вольтамперной характеристики выбранного солнечного модуля (СМ) и данных по приходу солнечной радиации (СР) в месте сооружения системы, может быть рассчитана по выражению:

Рсм^АРЛлЕ ^тем "псч,

(12)

где Рс* - номинальная мощность выбранного СМ, Вт; ипс, - количество «пиковых солнце-часов» в день, определяемое как отношение среднемесячного значения прихода СР в худший (с наименьшим приходом СР) месяц на число дней в этом месяце, ч.; //др - коэффициент, учитывающий потери МОЩНОСТИ при соединении солнечных модулей; Г|4Е - коэффициент, учитывающий потери энергии СМ при передаче ее потребителю (потери в инверторе, зарядном устройстве и т.д.); - коэффициент, учитывающий влияние температуры СМ, рассчитываемый как къи = 1- ат (Г-7"0). Здесь ат- градиент изменения КПД солнечного модуля (г|ом) от температуры; Г - температура СМ при рассматриваемых условиях, К; Г0 - температура стандартных условий измерения, К. Для кремниевых солнечных модулей ат= г|см /120°.

Значения и„сч определялись с учетом принятой модели изменения солнечной радиации (СР) в сутках (рис. 8) по данным измерений уровня максимальной мощности потока солнечной радиации (£ситах, Вт/м2) в предполагаемом районе применения АБЭУ.

td - координата начала отсчета г, ч.:

ti = ts - 0,5тс

тс = (2/15) arccos(-tgq> tgS) 5 = 23,45°sin[360(284+n)/365], град

0,5т.

Рисунок 8 - Модель изменения солнечной радиации в течение суток:

51 - сдвиг во времени точки £"„„„< с учетом декретного времени по отношению к солнечному полудню, ч ; /, - местное время точки с Е„т,х в данные сутки, ч.; - продолжительность солнечного дня в данные сутки, ч.; <р -широта местности, град; нение Солнца в данные сутки с порядковым номером п с начала года.

S - скло-

Повышение стабильности электроснабжения от солнечных модулей может быть достигнуто за счет увеличения электрической емкости АКБ или введением в состав ФЭС вспомогательного источника электроэнергии для подзарядки АКБ при снижении ее емкости до определенного уровня. Нами рекомендуется структурная схема ФЭС с применением резервного источника электроэнергии в виде термомеханического генератора (двигателя Стирлинга) небольшой мощности для подзарядки АКБ (при минимальном количестве АКБ). Это дает возможности использовать любой вид имеющихся в условиях пастбищного животноводства местных ВИЭ (к примеру, солнечную энергию, энергию прямого сжигания растительных отходов, «кизяка» и т.д.)

Зависимость для расчета суммарной емкости АКБ в ФЭС для обеспечения работы от аккумуляторных батарей имеет вид:

£акб(сум) ~ К кр-Л £/* //инв) ' О-')

где кт~ коэффициент, учитывающий температуру окружающей среды в помещении хранения АКБ и уменьшение емкости АКБ при понижении температуры; крз - коэффициент, учитывающий потери на разряд/заряд АКБ; 11йС - выбранное значение номинального напряжения постоянного тока в системе, В; г)шт - КПД инвертора; Сак6<суМ) - суммарная электрическая емкость АКБ в системе, Ач.

Промежуток времени за который АКБ обеспечивает работу фотоэлектрической системы при отсутствии поступления солнечной радиации (т6с, ч): Тбс = СДКБ и* /7И„Л^Н(0), (14)

где Сдкб - номинальная емкость выбранной по результатам расчета по формуле (13) АКБ глубокого разряда РгсисЯаг ПА12-20(ЮС, А ч; ХЛ,., - суммарная мощность электрооборудования в крестьянском хозяйстве, Вт.

При рекомендуемой структурной схеме ФЭС (рис. 9), включающий в себя термомеханический преобразователь биогаза, возможный дефицит/избыток вырабатываемой ФЭС электрической мощности (&Р;) может быть определен в виде:

АР< = Рто - Ркх(,/Пи„ш, (15)

где РСВ(0 - среднечасовая электрическая мощность, производимая СБ (с ранее установленным количеством СМ), Вт; Ркхт - суммарная среднечасовая электрическая мощность, потребляемая хозяйством, Вт.

Рисунок 9 - Рекомендуемая схема системы электроснабжения АБЭУ: 1 - солнечные модули Т$М-180(12); 2 - контроллер заряда ЕР1Р 30-30; 3 - АКБ Ргозо1аг Е1А12-200ЭС; 4 - термомеханический электрогенератор (ТМГ), работающий на биогазе; 5 - преобразовательный элемент (электронный блок, содержащий выпрямитель, накопитель и преобразователь уровня напряжений); 6 - инвертор Ро\уешпеРЗ-600(12); 7 - распределительный щит; 8 - электрическая нагрузка метантенка; 9 - бытовые электропотребители крестьянского хозяйства.

Уравнения распределения мощностей имеют вид:

П Режим равенства мощностей (АР, = 0). Вся производимая СБ мощность с учетом КПД инвертора расходуется для обеспечения электрической нагрузки объекта:

Ркх(,) = Рсцо -Пшп- (16>

2) Режим заряда частично разряженных АКБ (АР, > 0). Здесь избыток производимой СБ мощности идет для зарядки частично разряженных АКБ с учетом ограничения контроллером заряда/разряда (КЗР) значения допустимого тока заряда АКБ (/дкб, ^ /дкБшах):

^АКБ(зар) = ССБ(/) - (Лсхо/^инв)] О 7)

где ркки„9) - количество подаваемой на зарядку АКБ мощности в зависимости от заданного почасового электропотребления крестьянским хозяйством, Вт; _ КПД КЗР.

3^ Режим разряда АКБ (АР, < 0). Производимая СБ мощность недостаточна для обеспечения нагрузки, дефицит мощности покрывается за счет АКБ с учетом ограничения допустимого разряда контроллером заряда/разряда в целях сохранения ресурса АКБ:

РЛКБ(ста) = [(■РКХ(,/'7и„в) " РС*М СиЧ^)' ( 1 8)

где ЯАКБ(отв)- количество отбираемой от АКБ мощности в зависимости от заданного почасового электропотребления крестьянским хозяйством, Вт.

4) Режим работы ФЭС с подзарядкой АКБ от ТМГ (АР, < 0). Производимая СБ мощность недостаточна для обеспечения нагрузки, АКБ разряжена на величину 30% от номинальной емкости. Для обеспечения стабильности электроснабжения потребителя и в целях сохранения ресурса АКБ необходимо перейти в режим подзарядки АКБ от ТМГ:

ртш = К0,7 Сакб(„ом, иЛс г)ине)/хбс], (19)

где Ртмг- требуемая мощность ТМГ, для подзарядки АКБ ФЭС, Вт.

Требуемый для суточного времени (тсут) работы ТМГ объем биогаза (Уг , м3/сут) с теплотой сгорания (£?„ Дж/м3) с учетом значений КПД газогорелочного устройства (г]6г) и термомеханического генератора (г]те) составит:

К=(Ртш-Ссут)'(ЯгЧбгПге)- 3 (20)

С учетом полученной величины расхода биогаза (0,5...0,8 м /сут) уточняется объем метантенка, т.е. заданное расчетное значение коэффициента Ар в зависимости (3) должна быть больше или равно требуемого его значения кр(грс5>\ Ар(Треб)= Гг/(Кмтегмбг). (21)

Глава 3. «Экспериментальные исследования по обоснованию технологического режима анаэробного сбраживания в гелиобиоэнергетиической установке». Изложены программа и методика проведения экспериментов, результаты экспериментальных исследований и их анализ.

Первый этап экспериментальных исследований, включал серию опытов в циклическом режиме по обоснованию оптимальной влажности загружаемого в МТ субстрата и температурного режима сбраживания. Используемый в качестве сырья навоз КРС (условия пастбищного содержания высокогорного (2406 м над уровнем моря) Алайского района Ошской области) имел химический состав сухого органического вещества: белки - 15,48%, жиры - 3,01%, клетчатка -

51,24%. Опыты проводились использованием лабораторной установки (рис. 10) при одинаковой продолжительности сбраживания 30 суток равного объема навоза (500 мл) в идентичных условиях: температура сбраживания при мезофиль-ном режиме - 30°С; при термофильном режиме - 45°С. Влажность загружаемой исходной биомассы варьировалась от 86,4 до 94,0%.

Анализ результатов экспериментов (рис. 11) показал, что для интенсивного газовыделения значение влажности сбраживаемой биомассы для обоих температурных режимов сбраживания находится в пределах ЖОГГГ=90...92%. Величина выделяемого газа при термофильном режиме выше по сравнению с мезофиль-ным режимом в среднем на 20%. Но получаемый эффект снижается по причине роста затрат энергии на поддержание процесса (более чем 50%) по сравнению с мезофильным режимом. Поэтому, целесообразно использование мезофильного режима сбраживания (около 30°С), который обеспечивает приемлемые скорости газовыделения и относительную энергетическую выгодность процесса.

Рисунок 10 - Схема лабораторной установки: 1 - термостат; 2 - биореакторы;

3 - соединительные шланги;

4 - газосборники; 5, 6 — краны; 7 - емкость с водой.

м'/сут 400 300 200

100 _____ „,

86 88 90 92

Рисунок 11 - Зависимости выхода биогаза от влажности биомассы и температуры сбраживания:

1 - термофильный режим (45°С); 2 - мезофильный режим (30°С).

Последующие исследования, направленные на определение оптимальной продолжительности сбраживания и дозы загрузки биореактора проводились на экспериментальной БЭУ (рис. 12) с солнечным энергообеспечением.

Рассмотрение результатов экспериментов (рис. 13) показывает, что в процессе сбраживания количество получаемого газа достигает величины, которой достаточно для обеспечения величины потребного объема биогаза на бытовые нужды хозяйства (Кпгсут) при тсбр = гтш. Далее идет накопление газа, поскольку дифференциальное значение газа с1У6Мтс6р на участке гс6р > ттш больше значения Кпгсут. При достижении Тсбр = г™* в процессе сбраживания биомассы следует перейти на непрерывный режим сбраживания, так как при дальнейшем удержании

биомассы в метантенке не обеспечивается необходимое условие - равенство (2), обеспечения потребного объема биогаза (см. главу 2). При этом проекции точек пересечения кривой К6г=У(гсбр) и линии, соответствующей (К5г=Кпгсут) на ось аб-цисс (рис. 13) указывает на значения гт1П и гтах, в промежутке которой соблюдается равенство (2). Видно, что значение продолжительности сбраживания тор, с максимальным объемом выделяемого газа составляет около 16 суток, после которого и необходимо переводить установку на непрерывный режим сбраживания.

3 6 9 12 15 18 21 24 Тсбр , сут

Рисунок 13 - Зависимость выхода биогаза от продолжительности сбраживания

Рисунок 12 - Схема экспериментальной биоэнергетической установки:

1-СК; 2 - бак-расшириггель; З-АТ; 4-устройство загрузки: 5-терморегулятор; 6 - отопительный дублер (электронагреватель); 7 - манометр; 8 - мешалка; 9 - термометры; 10 - трубопровод биогаза; 11 - устройство выгрузки; 12 - газгольдер; 13 - МТ; 14 - водяная рубашка МТ; 15 - теплоизоляция; 16 - устройство опорожнения; 17-циркуляционный насос; 18-краны; 19-трубопровод теплоносителя.

Режим работы установки. Терморегулятор 5 при Іі<29°С включает, при ^їЗСС выключает насос 17; при 12<35°С включается отопительный дублер 6, который отключается при 12>38°С .

Краны 18 открыты для циркуляции теплоносителя: в дневное время: по контуру СК-БА-МТ-СК; в ночное время: по контуру БА-МТ-БА.

Гшіп

Непрерывный режим

Циклический режим

Гтах

Для обеспечения в непрерывной работы метантенка после достижения установившегося режима (гсбр = гопт) необходима выгрузка определенного объема сброженной биомассы (равного объему загружаемой исходной биомассы). При этом этот объем, называемый дозой загрузки метантенка, является одним из основных показателей, определяющих технологическую эффективность процесса, так как она определяет производительность процесса по перерабатываемому сырью и получаемому продукту (биогазу). В целом в мировой практике в каждом конкретном случае при испытании нового технического решения

биогазовой установки проводится уточнение эффективной дозы загрузки ме-тантенка.

С целью определения предельной нагрузки метантенка, исследовали влияние различных доз загрузки на интенсивность газовыделения - как основного показателя эффективности процесса сбраживания в непрерывном режиме. Исследуемые значения дозы суточной загрузки составили 1,5; 3; 5; 7; 10; 12% от объема сбраживаемой биомассы, определяемого по выражению Ун=Уитсг( 1+/?).

Результаты исследований показали (рис. 14), что эффективная доза загрузки находится в пределах 4,5...5% рабочего объема МТ. При повышении суточной дозы загрузки снижается образование биогаза, а при занижении снижается коэффициент использования камеры сбраживания. Резкое снижение газовыделения при значениях дозы загрузки более 7% является результатом выноса работающего адаптированного сообщества микробного биоценоза («закваски») в результате увеличения скорости протока субстрата.

Ибг, м'/(м3сут) 0,75 0,50 0,25

3 6 9 —'

Рисунок 14 - Влияние дозы загрузки МТ на интенсивность газовыделения

В системе обогрева метантенка могут быть использованы серийно производимые солнечные коллекторы (в нашем случае коллекторы НПО машиностроения г. Реутово), однако они имеют высокую стоимость из-за содержания дорогостоящих цветных металлов в конструкциях. Поэтому в целях снижения капитальных затрат и оценки возможности изготовления на месте сооружения БЭУ разработан и изготовлен (с применением местных строительных материалов) СК с пластиковым теплоприемником (рис.15). При этом общая стоимость 1м2 площади разработанного СК составляет $ 20...30, что значительно ниже стоимости большинства серийно выпускаемых плоских СК и в диссертации показаны возможности изготовления аналогичным образом бака-аккумулятора теплоты и метантенка АБЭУ.

Рисунок 15 - Солнечный коллектор с пластиковым теплоприемником: 1- шлакобетонный корпус; 2-пластиковая емкость, 3-металлическая сетка; 4-стеклянное покрытие; 5-нагреваемая вода; 6, 7 - входной и выходной патрубки; 8-теплоизоляция

КПД разработанного СК зависит в основном от количества тепловых потерь при преобразовании солнечной энергии и определяется по выражению:

1- {кгП{Та-То)/{ЕМ}, (22)

где к,а - коэффициент потерь теплоты СК, Вт/(м2К); Т0, Тп - соответственно, температура окружающей среды и поверхности теплоприемника СК, К; Ес„ - поток солнечного излучения, падающего на поверхность СК, Вт/м2.

В целях испытания СК и оценки потенциала солнечного излучения (СИ) проведены теплофизические измерения в разные периоды года в районе предполагаемого применения АБЭУ. Как показывают результаты теплофизических измерений (рис. 16), максимальное значение плотности поступающего СИ приходится на интервал времени от 12 до 13 часов дня, а температуры окружающего воздуха- в 15...16 часов дня.

Рисунок 16 - Результаты теплофизических испытаний СК: - плотность суммарной солнечной радиации, Вт/м2;

/0 - температура окружающей среды, °С;

I, - температура воды в СК с пластиковым теплоприемником, °С;

/тр - температура воды в СК с металлическим теплоприемником, °С

Видно, что достигаемые уровни температур теплоносителя в разработанном СК сравнимы с показателями традиционных (серийно выпускаемых) СК с металлическими теплоприемниками. При этом расчетные величины КПД составляют: для пластикового СК - 0,44; для традиционного СК - 0,55. Это позволяет сделать вывод о возможности его (СК) изготовления из альтернативных материалов и использования для теплоснабжения работающего в мезофильном режиме метантенка.

Из представленных данных видно, что нагретая вода в солнечном коллекторе в период от 8-ми до 19-ти часов дня может быть эффективно использована для нагрева содержимого метантенка, а в оставшееся время нагрев сбраживаемого субстрата должен осуществляться за счет теплоты воды, аккумулированной в аккумуляторе теплоты.

На рис. 17 представлены экспериментальные данные по температуре теплоносителя в АТ установки и сбраживаемой биомассы в МТ в течение суточного режима работы. Кривую температуры (¿ак) теплоносителя в АТ можно разделить на две фазы: зарядки и разрядки. Повышение температуры теплоносителя в АТ (зарядка) начинается с утренних часов и продолжается до 18-ти часов. В дальнейшем наблюдается постепенное убывание температуры воды в АТ (процесс разрядки), когда обеспечение нагрева сбраживаемого субстрата осуществляется за счет аккумулированной в АТ теплоты. Средняя суточная величина разницы температур теплоносителя в АТ Д/ак составляет 11,5°С, при средних значениях температур: теплоносителя в АТ /ак ср= 35,8°С и сбраживаемой биомассы в метантенке /МТСр=

I,' с

40 35 30

время, ч

Рисунок 17 - Кривые температуры в течение суточного режима работы:

1 - воды в аккумуляторе теплоты (/„);

2 - сбраживаемой биомассы в метантенке ((„)

Полученные в результате экспериментальных исследований технологические параметры анаэробного сбраживания биомассы используются при проектировочных расчетах АБЭУ.

Глава 4. «Технико-технологические решения по утилизации продуктов анаэробной конверсии». Представлен усовершенствованный в целях повышения эффективности утилизации биогаза вариант технологической схемы АБЭУ (рис. 18), предусматривающий пространственное разделение стадий кислото- и мета-нообразования биометаногенеза.

При этом учитывается, что кислотогенные и метаногенные бактерии работают не с одинаковой скоростью. Так, кислотогенные бактерии, являясь преимущественно аэробными при достаточном питании удваивают свою массу на протяжении в пределах 0,3...10 часов. Строго анаэробные метаногенные бактерии значительно медленно размножаются и им для удвоения своей массы требуется 3...5 дней. Поэтому при сбраживании биомассы в реакторе без пространственного разделения характерных стадий зачастую происходит накопление ки-

слот (результат быстрой деятельности кислотогенов). В результате этого может наступить слишком резкое падение уровня рН (до 4,5...5) сбраживаемой среды, которое является губительным для метаногенных микроорганизмов с требуемым оптимальным уровнем рН=7.

Рабочий процесс установки, аналогичен работе изложенной АБЭУ (рис. 6), отличительные особенности заключаются в конструктивном выполнении отдельных узлов. Аккумулятор теплоты 3 совмещен (в виде водяной рубашки) с гидролизным реактором (ГР) 2, куда поступает предварительно подготовленная в емкости 1 исходная БМ, подвергаемая кислотному брожению с преимущественным выделением двуокиси углерода (С02). Выделяемый в результате кислотного брожения в ГР С02 накапливается в отдельной секции двухсекционного газгольдера 14 и может быть использован на технические нужды.

Рисунок 18 - Усовершенствованная технологическая схема АБЭУ:

1 - емкость подготовки биомассы; 2 - гидролизный реактор; 3 - АТ; 4 - СК; 5 - МТ; 6 - накопительная емкость; 7 - водонагреватель; 8 - инвертор; 9 - АКБ; 10 - контроллер заряда; 11 - СБ; 12 - двигатель Стерлинга; 13 - узел очистки биогаза; 14 - мокрый газгольдер; 15 - потребитель - крестьянское хозяйство. СИ - солнечное излучение; БМ - исходная биомасса; СБМ - сброженная биомасса; ТН - теплоноситель; БГ - биогаз; ЭЭ - электрическая энергия

Кроме этого, здесь очень важно, что гидролизный реактор выполняет функции устройства для предварительного нагрева дозы суточной загрузки сбраживаемой биомассы за счет подвода теплоты от СК 4. Этим самым в ме-тантенк 5 поступает биомасса с температурой равной температуре сбраживаемого субстрата и исключается возможность отрицательного воздействия холодной исходной биомассы на жизнедеятельность метанобразующих бактерий.

Основным эффектом использования специально разработанного (патент № 2306478) для применения в двухстадийной технологии анаэробного сбраживания отходов в раздельных реакторах двухсекционного газгольдера является повышение качества биогаза как энергоносителя. При двухступенчатой ферментации отходов в гидролизном реакторе происходит кислотное брожение, при котором образуется до 45...60% С02, а в метантенке - щелочное брожение, при котором образуется 26...31% С02 и 72...77% СН„ , т.е. увеличивается на 28...37% удельная теплота сгорания биогаза за счет повышения концентрации

метана в его составе (по сравнению с расчетной величиной теплоты сгорания биогаза с 56% -ным содержанием СН4).

Для повышения эффективности утилизации сброженного субстрата накопитель эффлюента выполнен в виде солнечной сушилки (рис. 19), в которой кроме фракционирования сброженной биомассы, происходит ее дополнительное термическое обеззараживание. Твердая фракция становится удобным для хранения и транспортировки, жидкая фракция возвращается в хозяйственный оборот для дальнейшего использования (на полив), а дистиллят (вода) может быть использована для технических потребностей.

Рисунок 19 - Накопитель эффлюента-сушилка

Для преобразования энергии сжигаемого биогаза в электрическую в технологической схеме БЭУ использован экспериментальный образец двигателя Стерлинга а- модификации со встроенным электрогенератором (рис. 20).

Выбор двигателя Стирлинга (ДС), как преобразователя тепловой энергии в электрическую энергию был обоснован следующими его достоинствами: безразличность к источнику тепловой энергии (горение газообразного, жидкого или твердого топлива, солнечный источник теплоты и др.); имеет замкнутый рабочий процесс и не отравляет окружающую среду выхлопными газами.

Рисунок 20 - а) Обший вид экспериментального ДС с электрогенератором: I - ДС; 2 - топочно-горелочное устройство; 3 - электрогенератор, б) Топочно-горелочное устройство ДС: 1 - конфорка основная; 2 - тегогоизолятор; 3 - сетчатая насадка; 4 - нагреватель; 5 - дополнительные конфорки

I - корпус; 2 - прозрачное покрытие;

3 - желоб для конденсата;

4 - резервуар дистиллята; 5 - теплообменник;

6 - кран слива жидкой фракции;

7 - люк выгрузки осадочной фракции;

8 - сменная перфорированная перегородка;

9 - шарнирная перегородка;

[О - окно выгрузки твердой фракции;

II - инфракрасная горелка

воздух

10

Биогаз

Солнечное излучение

3

При использовании в ДС газообразного топлива, эффективность подвода теплоты к рабочему телу зависит от эффективности работы топочно-

горелочного устройства, что в конечном итоге определяет эффективность работы ДС как преобразователя тепловой энергии в целом, т.е КПД двигателя Стерлинга, в значительной мере определяется теплотехническими параметрами применяемой в системе теплоподвода к рабочему телу двигателя топочно-горелочного устройства (ТГУ) для сжигания биогаза.

На экспериментальном ДС (рис. 20, а) при сжигании биогаза тепловая энергия, содержащаяся в продуктах горения, не полностью передается рабочему телу ДС и часть теплоты уходит в атмосферу. Это связано с многокомпо-нентностью биогаза, и часть компонентов не успевают войти в реакцию с кислородом в процессе горения. Для обеспечения полного сгорания топлива и повышения эффективности подвода теплоты к рабочему телу ДС через теплопри-емник было усовершенствовано топочно-горелочное устройство ДС (рис. 20, б) и разработана методика расчета теплового баланса системы ТГУ - теплоприем-ник ДС.

Теплоприемник (нагреватель) ДС имеет форму усеченного конуса, в котором расположены в виде спирали в два ряда стальные трубки. Теплота передается к рабочему телу ДС при прохождении им через эти трубки. Отличительными особенностями усовершенствованной ТГУ является установленная над основной конфоркой специальная сетчатая насадка 3 и дополнительные конфорки 5 для горения газа в межвитковом пространстве. При сгорании газообразного топлива нагревается слоистая сетчатая насадка ТГУ. Не успевшие войти в реакцию горения компоненты, соприкасаясь с нагретой частью насадки, теряют свою первоначальную скорость и входят в реакцию горения. Таким образом, в насадках ТГУ происходит «вторичное горение» газообразного топлива.

КПД рассматриваемого ТГУ определяется отношением общего количества теплоты 2обЩ, выделяемой при сжигании биогаза, к количеству теплоты 0рт, подведенной к рабочему телу ДС: ^тгу = Q05^JQ^■

Уравнение теплового баланса системы ТГУ - теплоприемник ДС имеет вид: 2о6ш = брт + бпг + бохл + бхнг, (23 )

где (Зпг, <2о„, 2ХНГ - потери "теплоты, соответственно, с продуктами горения, с охлаждающей жидкостью и из-за химической неполноты горения, Дж.

Количество теплоты 2рт, согласно закону Фурье может быть определен по выражению:

<Эрт= [(2лАУср („)(/„ - /в„)}/ 1пМЛ/.-)] Срг, (24>

где X - коэффициент теплопроводности материала нагревателя, Вт/(м К); /ср- средняя длина трубы в одном витке, м; /ср.(„) - суммарная длина трубы п - числа витков нагревателя, м; <4 и <4, - наружный и внутренний диаметры трубы нагревателя, м; 1,„ и /„ - температуры внутренней и наружной стенки трубы нагревателя, К; Орт - количество рабочего тела, проходящего через нагреватель за единицу времени, м/с.

Доля потерь теплоты с продуктами горения составляет:

2ог=(^гСС/Яц)Ю0%, (25)

где К„г - объем, занимаемый продуктами горения при сжигании 1 м газообразного топлива, м3; С» - средняя мольная изохорная теплоемкость газов, Дж/(кмоль К); спг - температура продуктов горения. К; //„ - низшая теплота сгорания газов, Дж/м .

Расчет потерь теплоты с уходящими продуктами горения по формуле (25) достаточно сложен, так как необходимо определять в отдельности Ни, Vпг и Су.

Поэтому потери теплоты с продуктами сгорания определяется более упрощенным методом, не прибегая в каждом случае к определению низшей теплоты сгорания, объема продуктов горения и их теплоемкости.

Максимальная температура, достигаемая в зоне горения при идеальном условии горения, называется жаропроизводительностью топлива: 1т1к = НЛКгСф...,тах)), где С> ,,тах) - средняя мольная изохорная теплоемкость продуктов сгорания в интервале температур от 0° до /тах. Отсюда Ни = Упг /тах С(о 1 тах)- Подставив полученное выражение в формулу (25) и обозначив отношение теплоемкостей (СЧо 1ПГ/СУ(0 !тах)) через с', после соответствующих преобразований получим упрощенную формулу для определения потерь теплоты с продуктами горения:

е„г=(/„гс7/тах)100%, (26)

Так как горение происходит в изолированном пространстве и не предусмотрен принудительный подвод воздуха, то вероятно, наблюдается некоторая нехватка воздуха, т.е. коэффициент избытка воздуха а<1. При этом необходимо учитывать потери теплоты из-за химической неполноты горения:

ЛЯ„ = (дпг М/„ от„)Ю0 , (27)

где б'пг - количество теплоты, содержащееся в продуктах горения, Дж/м3; И - коэффициент, учитывающий увеличение объема продуктов горения из-за разбавления их избыточным воздухом и неполноты горения газа по отношению к объему горения в теоретических условиях; Ни<гм- низшая теплота сгорания рабочего топлива, отнесенная к 1 м3 сухих продуктов горения, которая образуется при сжигании топлива в теоретических условиях.

Коэффициент И = С02таДС02 + СО + СНД где С02тзх - содержание С02 в сухих продуктах горения при полном сгорании топлива в теоретически необходимом количестве воздуха; С02', СС/, СН/ - содержание С02, СО и СН4 в сухих продуктах горения по данным газового анализа. Тогда потери теплоты из-за химической неполноты горения за единицу времени:

ехнг = СгАЯ„, (28)

где С, - объемный расход газообразного топлива за единицу времени, м /с.

Количество теплоты, отдаваемое системой ТГУ-теплоприемник ДС охлаждающей жидкости за единицу времени

^охл — Сохл (^ВЫХ " ^вх)> (29)

где 00<л - количество охлаждающей жидкости, проходящей через систему охлаждения за единицу времени, кг/с; сохл - теплоемкость охлаждающей жидкости; (вь,х, /„ - температуры охлаждающей жидкости (воды) на выходе из системы охлаждения и на входе в нее.

В табл. 3 представлены полученные расчетным путем величины составляющих теплового баланса системы ТГУ-теплоприемник ДС при следующих значениях переменных и постоянных параметров ТГУ и нагревателя ДС: Я„ = 23 МДж/м3; /тах = 2316 К; /вх = 294 К; /вьк = 314 К; 0охл = 0,047 кг/с; с' = 0,9; X = 23,7; дш = 145,32 кДж/м3; Л = 1,58; С02= 6,3%; СО = 1,14%; С02тах = 11,8%; 1ПГ = 873 К; Ы„ = 5 мм; <4, = 3 мм; /ср= 482 мм; сохл = 4186 Дж/(кгф.

Составляющие теплового баланса Ргг С?пг ! £?охл С?хнг Qo6щ

Численное значение, кДж 9,6 3,5б| 3,74 0,9 17,8

Величина 77тгт 0,54

Видно, что разработанная методика позволяет рассчитать значения составляющих теплового баланса системы ТГУ-теплоприемник двигателя Стерлинга и величину КПД топочно-горелочного устройства для сжигания биогаза.

Глава 5. «Методика инженерного расчета и технико-экономической оценки биоэнергетических установок».

Преимущества использования АБЭУ очевидны лишь при рассмотрении хозяйственной системы в целом, когда процесс анаэробной переработки отходов в биоэнергетической установке включен в систему материального производства крестьянского хозяйства (рис. 21).

С„ (органические отходы)

АБЭУ с фотоэлектрической системой

Ф2 Ф,

Р, (биогаз)

Р> (эл.энергия)

Г'< (удобрения) I

Загон для ночного содержания животных

Энергообеспечение быта крестьянского хозяйства

I .

Картофель

Управляемые факторы:

(Ф| - технологические параметры сбраживания; Ф2 - количество энергии на сбраживание) Случайные факторы:

(Фз - интенсивность солнечной радиации)

Люцерна

Овощи

Крестьянское хозяйство

э* (эффект)

Восстанавливаемые севооборотом участки для растениеводства вокруг юрт

Рисунок 21 - Структурная схема включения АБЭУ в систему материального производства крестьянского хозяйства

Функциональные связи между блоками системы характеризуются входными и выходными параметрами. Выходные продукты (Л, Рг, Рз) полученные в АБЭУ, входят в экономический потенциал хозяйства. Из этого следует, что АБЭУ с выходными продуктами включен в систему материального производства крестьянского хозяйства, тем самым обеспечивается условие оценки эффективности разработанной биоэнергетической установки.

Для АБЭУ входным параметром будет количество органических отходов (Он) с определенным физико-химическим составом; выходными параметрами являются количество производимого биогаза (РО, количество электроэнергии (Р2) для бытовых нужд крестьянского хозяйства и обеззараженного органического удобрения (Р3) в виде сброженного субстрата.

В свою очередь выходные параметры АБЭУ являются входными параметрами системы материального производства хозяйства, а выходным показателем будет общий экономический эффект (Ээф) от использования производимых посредством применения АБЭУ продуктов.

Кроме входных и выходных параметров в системе АБЭУ имеются управляемые факторы (Ф,, Ф2), влияющие на эффективность анаэробного процесса в целом, на которые могут влиять и случайные факторы (Ф3). Управляемыми факторами являются технологические параметры (Ф|) процесса анаэробного сбраживания (влажность и температура сбраживаемой биомассы, продолжительность сбраживания и доза ежесуточной загрузки метантенка) и количество энергии (Ф2) на процесс сбраживания; случайными факторами (Ф3) являются климатические условия (интенсивность солнечной радиации, температура окружающей среды и т.п.) в месте сооружения АБЭУ.

Установленные в ходе теоретических и экспериментальных исследований функциональные взаимосвязи управляемых и случайных факторов сведены к методике инженерного расчета АБЭУ в виде блок-схемы алгоритма вычисления параметров установки на ЭВМ (рис. 22).

С учетом экспериментально обоснованных технологических показателей процесса анаэробного сбраживания биомассы, используя разработанную методику инженерного расчета, были определены параметры АБЭУ (табл. 4), обеспечивающей бытовые потребности в энергии крестьянского хозяйства.

Таблица 4 - Техническая характеристика АБЭУ для локальных потребителей

Наименование параметра Ед. изм. Значение показателя

Полный объем метантенка MJ 3,0

Объем дозы суточной загрузки метантенка Mj 0,11

Температура сбраживания °С 30± 1

Экспозиция сбраживания сут 16

Тепловая нагрузка метантенка в стационарном режиме непрерывного сбраживания Вт 280

Полезная площадь солнечных коллекторов м2 4,76

Объем бака-аккумулятора теплоты Mj 0,403

Объем газгольдера Mj 1,0

Электрическая емкость аккумуляторной батареи Ач 150

Напряжение солнечного модуля в 17± 5%

Ток солнечного модуля А 8,2± 5%

Номинальная мощность инвертора Вт 600

Входной и нагрузочный ток контроллера заряда/разряда А 30

Напряжение постоянного тока в системе В 12

Время работы автономной системы электроснабжения при отсутствии солнечной радиации ч 12,2

Пиковая мощность солнечных модулей Вт 420

Тепловая мощность солнечных коллекторов Вт 942... 4760

Производительность по биогазу м3/сут 3,07

Производительность по удобрениям кг/сут 110

Производительность по электроэнергии кВтч/сут 1,32

р,/ Ввод исходных данных для расчета объема МТ: /Ууд

2 V„ = [ЛГуд mar ip (1 + fi)V(h Ег «г) і

L

X

L

х

Ввод данных системы теплоснабжения МТ: Г}ск, £ск(тд)> Д'ак» ^ак» /*ак

X

Vjt = (2/3)[£Т м^з/(Д'а« С„рак)1

X

С41С0(но»(>>

: Сакб(ноы) t/dc Пиня/£Рн(і)

Ввод данных для расчета тепловой нагрузки МТ: Рдз, />б, /с, 'ис, 'о, /«мт, 'вр.Лт, гсут. ^бг, С , 7бг

4 £"т.мт<3^ Ки р6 (2/с5 - *Ис)+2 {F^ ГсутОвр - /ос)/Дт} + ^бг с' Гбг

7

6 /4«= [ с5 />6 (2'с - 'и)+2 Í/-MT гс„0.Р- /о)/Ят} + ^бг с' Г6г]/(£СИ(Ы) Пек)

Ввод данных системы электроснабжения БЭУ: Лф'Ь ГР<'). ^ККВ, кгем , ipi, f/dc. СЛм(р), /'см(н), 7ДР. ЛЛЕ. ¿т, "печ

V г- 10 —--

^Л = Е(Л,С,>гР<О> САКБ - ітем kvJ(Uic rjm,)

" 12 г --

И'см = 7ДР "печ

15 = Y.PhQ) - [(0,7 С„сб(ши) ^ни.Утбс]

Рисунок 22 - Блок-схема алгоритма инженерного расчета АБЭУ

Согласно данным табл. 4, разработанная АБЭУ обеспечивает энергопотребности крестьянского хозяйства (см. рис. 5 в первой главе) в полном объеме в период времени с марта по октябрь месяцы года (с учетом наименьшего уровня интенсивности солнечной радиации в октябре месяце года):

- выход биогаза составляет 3,07 м3/сут (при потребности на энергообеспечение быта 1,83 м3/сут, оставшаяся часть биогаза накапливается для последующего использования, в т.ч. на собственные нужды биогазового реактора);

- выход электроэнергии 1,32 кВт-ч/сут (суточные потребности в электрической энергии составляют 1,125 кВт-ч/сут).

Для работы биогазового реактора установки в непрерывном режиме, при дозе суточной загрузки равной 0,11 м3 биомассы влажностью 92%, необходимо наличие в крестьянском хозяйстве 5 голов КРС, отходы которых собираются в месте ночного привязного содержания животных.

В ходе испытаний опытного образца АБЭУ выявлено, что средний удельный выход биогаза в установившемся режиме работы метантенка составляет -1,26 м3 с единицы объема сбраживаемой биомассы в сутки, при величине дозы загрузки 4,5 % рабочего объема метантенка.

При сооружении АБЭУ с учетом условий ее применения рекомендуется блочно-модульный принцип ее изготовления: биогазовый модуль сбраживания (рис. 23); модуль солнечного энергообеспечения (рис. 24).

Рисунок 24 - Модуль солнечного энергообеспечения АБЭУ: I- солнечные коллекторы; 2 - солнечная батарея; 3 - аккумуляторная батарея; 4 - инвертор напряжения; 5 - контроллер заряда АКБ.

Учитывая условия отгонно-пастбищного животноводства биогазовый модуль АБЭУ рекомендуется соорудить в стационарном варианте (с возможным углублением в грунт, для использования геотермальной теплоты земли) на отведенном крестьянскому хозяйству участке с применением преимущественно местных строительных материалов (шлакобетон, керамзитобетон и т.п.).

При этом компоненты солнечного энергообеспечения АБЭУ в неиспользуемый в условиях пастбищ период (с ноября по март месяцы года) могут быть демонтированы для хранения в закрытом помещении или для использования в местах постоянной зимней дислокации крестьянского хозяйства в целях энергосбережения в составе централизованного электроснабжения.

Экономическая эффективность от внедрения новых средств биоэнергетики в АПК определяется системой показателей, состоящей из частных показателей и обобщающего показателя.

В диссертации обобщающим показателем эффективности внедрения БЭУ принята величина расчетного коэффициента экономической эффективности капиталовложений (Ер):

£р = [Ясум + (ЭЗ.б*, - Э3.ъ№ъ * Е*. (з°)

где Ясу„ - суммарный годовой эколого-экономический эффект от внедрения БЭУ, руб; ЭЗби - текущие затраты на эксплуатацию базового варианта энергообеспечения быта крестьянского хозяйства в условиях пастбищного животноводства, руб; ЭЗбзу - текущие затраты на эксплуатацию и техническую поддержку БЭУ, руб; Ксч, - капитальные вложения на сооружение БЭУ, учитывающие стоимость материалов и оплату труда на сооружение (индивидуальные данные рассчитываются на основе цен на материалы и заработной платы персонала, занятого сооружением установки), руб; Е„ - нормативный коэффициент экономической эффективности капиталовложений, величина которого для современных условий развития аграрного сектора следует принять равным 0,20 (согласно результатам исследований, выполненных на кафедре «Экономика и организация производства на предприятиях АПК» МГАУ).

В качестве сравнительной базы рассматривались разные варианты применения для энергообеспечения быта крестьянского хозяйства. При этом в качестве примера рассматривали функционирование крестьянских хозяйств в летних пастбищах «Айтапан» высокогорного Алайского района Ошской области. Отметим, что удаленность от ближайшей трансформаторной подстанции с низковольтной частью напряжения 0,38 кВ превышает 10 км и подвод ЛЭП по высокогорной труднопроходимой местности не окупаемо с учетом рассредото-ченности потребителей и в планах развития электросетей республики электрификация высокогорных пастбищ даже не прогнозируется.

Суммарные затраты в рассматриваемый период использования источников энергии определены в виде суммы первоначальных капиталовложений в нулевом периоде (Зо, руб) и ежегодных эксплуатационных расходов (ЭИ,, руб), приведенных к нулевому периоду с использованием известной нормы дисконтирования (I:

К1 = Зо + IЭИ, {(1+г)'/(1+б()'}, (31)

где /- номер расчетного года; г - коэффициент инфляции.

Первоначальные капиталовложения в нулевом периоде (Зо, руб) состоят из затрат на покупку компонентов системы и стоимости их монтажа:

Зо = Ко6 + К«оит , (32)

где /Соб - капитальные затраты на покупку компонентов системы, руб; К»оит - затраты на монтаж оборудования, принимаемые в объеме 1...5% от общих капитальных затрат на оборудование, руб.

Эксплуатационные расходы в рассматриваемый период использования предусматривают ежегодные издержки на техническое обслуживание, ремонт и замену элементов системы, на заработную плату, топливо:

ТЭИ,= ЗП,+ ТО, + РТ1, (33)

где ЗП1 - ежегодные расходы на заработную плату, устанавливаемые как доля капитальных затрат, руб: TOi - ежегодные расходы на техническое обслуживание, ремонт и замену компонентов АБЭУ в различных интервалах времени функционирования, руб; РЧ) - ежегодные расходы на топливо резервного источника энергии (генераторы), определяемые умножением необходимого годового расхода топлива на стоимость единицы количества (м , литра) топлива определенного вида, руб.

Здесь в качестве альтернативных к АБЭУ источников энергии рассматривались (с учетом цен, существующих на 2010 год):

• промышленно выпускаемые генераторы малой мощности на базе ДВС - бензогенератор марки KP 950 FNEX (используемое топливо бензин АИ-92), бензогенератор газовый марки HUTER DY5000LX (с возможностью работы на природном сжиженном газе);

• солнечные модули TSM-180(12) в комплекте с аккумуляторными батареями АКБ RA12-200DG.

Жидкотопливные генераторы рассматривались только в виде бензогенераторов, так как они (бензогенераторы) выпускаются для обеспечения небольшого энергопотребления до 10...30 кВт-ч, в отличие от генераторов с дизельным двигателем, которые предназначаются для покрытия значительных нагрузок (30...100 кВт-ч).

Результаты расчетов с применением аналитических зависимостей (30...33) показывают (рис. 25) целесообразность использования биоэнергетической установки.

Затраты, тыс.руб

L - Фотоэлектрическая система;

2 - Бензогенератор KP950FNEX;

3 — Бензогенератор газовый HUTER;

4 - Автономная БЭУ.

Первоначальные капиталовложения

Суммарные затраты за 10 лет

Рисунок 25 - Соотношение затрат при различных вариантах

автономного энергообеспечения быта крестьянского хозяйства

Величина расчетного коэффициента экономической эффективности капиталовложений при внедрении АБЭУ составляет 0,21, что соответствует сроку окупаемости 4,7 лет. При расчетах предполагалось, что АБЭУ эксплуатируется в течение 7-ми месяцев (апрель-октябрь месяцы года).

При этом широкое распространение БЭУ кроме того, что создает возможности для улучшения жизненных условий сельского населения-владельцев ус-

тановок, приносит пользу в целом государству в виде: производства энергии и экологически чистых удобрений (замещение привозного топлива и удобрений); увеличения урожайности сельскохозяйственных культур посредством применения сброженного субстрата в качестве удобрения; улучшение качества сельхозпродукции - производства экологически чистых продуктов; сохранения лесопосадок и снижение эрозии почв; экономия за счет снижения импорта энергоносителей и удобрений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Установлено, что разработка автономных биоэнергетических установок с подогревом сбраживаемой биомассы за счет местных возобновляемых источников энергии является актуальной проблемой, решение которой вносит вклад в направление эффективной утилизации отходов с обеспечением экологической безопасности в сельскохозяйственном производстве труднодоступных горных районов Киргизии. С учетом условий функционирования крестьянских хозяйств в горных районах предложена концепция создания малогабаритных автономных биоэнергетических установок (АБЭУ).

2. Разработана технологическая схема автономной биоэнергетической установки с непрерывным режимом сбраживания (патент № 2253211) с учетом составленной классификации биоэнергетических установок и потенциала местных возобновляемых источников энергии. Биогазовый реактор, согласно разработанной технологической схеме, работает в энергонезависимом (от централизованных электросетей) режиме, что необходимо для условий крестьянских хозяйств в горных районах Киргизии.

3. Установлены теоретически обоснованные аналитические зависимости по взаимосвязанному определению минимально необходимого объема биогазового реактора-метантенка (формула 3) и параметров технологического оборудования его энергообеспечения: площади лучевоспринимающей поверхности солнечных коллекторов (формула 8) и объема аккумулятора теплоты (формула 9) в соответствии с предложенной концепцией создания малогабаритных АБЭУ.

4. Выполнен комплекс экспериментальных исследований по обоснованию технологического режима анаэробного сбраживания в автономной БЭУ и оценке потенциала солнечного излучения в районе предполагаемого применения АБЭУ. По результатам исследований рекомендуется мезофильный режим сбраживания, при этом влажность сбраживаемой биомассы 90..92%, температура сбраживания 30°С, экспозиция сбраживания - 16 суток, доза суточной загрузки биомассы -4,5...5% рабочего объема метантенка. Необходимый потенциал солнечной радиации в районе применения АБЭУ обеспечивается в период с апреля по октябрь месяцы года.

5. Разработаны прогрессивные технические решения для утилизации продуктов анаэробной конверсии органических отходов сельского хозяйства, в том числе усовершенствованный вариант АБЭУ с пространственным разделением двух стадий сбраживания, в котором достигается повышение качества биогаза как энергоносителя. Предложены технические решения аккумулятора теплоты совмещенного с гидролизным реактором и двухсекционного мокрого газгольде-

ра (патент №2306478). Разработана конструкция накопителя эффлюента, которая выполнена в виде солнечной сушилки. Усовершенствовано топочно-горелочное устройство двигателя Стирлинга ос-модификации (применяемого в целях преобразования энергии биогаза в электрическую) и разработана методика ее теплотехнического расчета.

6. Разработана методика инженерного расчета АБЭУ для крестьянских хозяйств и определены ее технические характеристики: объем метантенка - 3 м ; полезная площадь солнечных коллекторов - 4,76 м2; объем теплового аккумулятора- 0,403 м3; пиковая мощность солнечных модулей - 420 Вт.

7. Изготовлен опытный образец АБЭУ, испытания которого показали, что средний удельный выход биогаза в установившемся режиме работы составляет 1,26 м3 с единицы объема сбраживаемой биомассы в сутки при суточной дозе загрузки равной 4,5% рабочего объема метантенка. Применение АБЭУ позволяет решить энергетические (потребности в энергии на бытовые нужды: тепловой энергии - 3,375 кВт ч/сут; электрической энергии - 1,125 кВт ч/сут) и эколого-агрохимические (получение обеззараженных органических удобрений - 110 кг/сут) проблемы в сельской местности.

8. При сооружении АБЭУ с учетом условий ее применения рекомендуется блочно-модульный принцип ее изготовления. Биогазовый модуль АБЭУ рекомендуется соорудить в стационарном варианте (с возможным углублением в грунт, для использования геотермальной теплоты земли) на отведенном крестьянскому хозяйству участке с применением местных строительных материалов.

9. Предложена методика оценки абсолютной экономической эффективности БЭУ с точки зрения их использования в индивидуальных крестьянских хозяйствах. Расчетная величина фактического коэффициента экономической эффективности капиталовложений при внедрении АБЭУ составляет 0,21, что соответствует сроку окупаемости 4,7 лет.

По содержанию диссертационной работы опубликованы:

-монография и учебное пособие:

1. Осмонов, О.М. Основы инженерного расчета гелиобиоэнергетических установок [Текст]: монография /О.М Осмонов. - М.: Издательско-аналитический центр «Энергия», 2011. - 175 с.

2. Осмонов, О.М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие [Текст]: учебное пособие /О.М. Осмонов. - М.: ФГБОУ ВПО МГАУ, 2012. -48 с.

- в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

3. Осмонов, О.М. Определение потерь тепла гелиоколлектора биоэнергетической установки [Текст] /О.М. Осмонов //Вестник ФГОУ ВПО МГАУ «Агро-инженерия», Вып. №3 (13), 2005.-е. 155 -158.

4. Осмонов, О.М. Двигатель Стирлинга как преобразователь возобновляемой энергии в автономной энергетической установке [Текст] /О.М. Осмонов //Вестник ФГОУ ВПО МГАУ «Агроинженерия, Вып. №3 (13), 2005. - с. 158 -161.

5. Осмонов, О.М. Устройство для сжигания газообразного топлива в энерге-. тической установке с двигателем Стирлинга [Текст] /О.М. Осмонов, Д.А. Кова-

лев, И.Г. Кенжаев, Б.Э. Кудайбердиев //Техника в сельском хозяйстве, 2005, №2. -с. 46-48.

6. Осмонов, О.М. Автономная гелиобиоэнергетическая установка [Текст] /О.М. Осмонов //Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2006, №11. -с. 16-17.

7. Осмонов, О.М. Математическое моделирование тепловых процессов в аэробном ферментере биоэнергетической установки [Текст] /О.М. Осмонов, С.П. Рудобашта//Вестник ФГОУ ВПО МГАУ «Агроинженерия», Вып. №1 (16), 2006. -с. 20-22.

8. Осмонов, О.М. Энергосбережение при эксплуатации мокрых газгольдеров [Текст] /О.М. Осмонов, Л.И. Рахматулина //Вестник ФГОУ ВПО МГАУ «Агроинженерия», Вып. №3 (13), 2006. - с. 42 - 44.

9. Осмонов, О.М. Эксергетический анализ системы «топочно-горелочное устройство» энергетической установки с двигателем Стирлинга [Текст] /О.М. Осмонов, И.Г Кенжаев, Б.Э. Кудайбердиев //Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2007, №3. - с.34 - 35.

Ю.Осмонов, О.М. Математическое моделирование автономной гелиобио-энергетической установки [Текст] /О.М. Осмонов, Л.И. Рахматулина //Промышленная энергетика, 2009, № 3, - с. 18 -21.

11.Осмонов, О.М. Результаты исследований солнечной системы энергоснабжения биоэнергетической установки [Текст] /О.М. Осмонов //Промышленная энергетика, 2011, № 9, - с. 50 - 54.

12.0смонов, О.М. Обоснование параметров метантенка автономной гелио-биоэнергетической установки [Текст] /О.М. Осмонов //Промышленная энергетика, 2011, № 4, - с. 57-61.

13.Осмонов, О.М. Расчет тепловой нагрузки метантенка биоэнергетической установки [Текст] /О.М. Осмонов, С.П. Рудобашта //Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2011, №7. - с. 16 - 17.

14.0смонов, О.М. Биоэнергетическая установка с двухстадийным процессом сбраживания [Текст] /О.М. Осмонов, С.П. Рудобашта. //Техника в сельском хозяйстве, 20II, №3. - с. 8 - 10.

15.Осмонов, О.М. Экономическая оценка использования биоэнергетической установки. // Механизация и электрификация сельского хозяйства [Текст] /О.М. Осмонов, 2012, №1. - с.32.

16. Осмонов, О.М. Способы повышения выхода товарного биогаза при анаэробной конверсии органических отходов в биоэнергетических установках [Текст] / A.A. Ковалев, Д.А. Ковалев, О.М. Осмонов // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ «Агроинженерия», Вып. №2 (53), 2012. - с. 64 - 67.

- публикации в других изданиях:

17-Осмонов, О.М. А у нас биогаз [Текст] /О.М. Осмонов //Альманах «Сделай сам». - М., 1995, №2. - с. 2 - 19.

18.Осмонов, О.М. Анаэробная биоконверсия отходов животноводства - рациональный путь охраны окружающей среды [Текст] /О.М. Осмонов, Б. Мур-зубраимов //Сб. научн. тр. проф.-преп. состава Ошского технологического университета. Вып. 1. - Ош, ОшТУ, 1997. - с. 38-44.

19.ОСМ0Н0В, О.М. Перспективы использования биогаза в двигателях внутреннего сгорания [Текст] /О.М. Осмонов, С.К. Султанов //Сб. научн. трудов проф.-преп. состава Ошского технологического университета. Ч. 2. «Физика и техника». - Ош, ОшТУ, 1999. - с. 71 - 73.

20.0смонов, О.М. Биоэнергетическая установка с автономным энерготеплоснабжением [Текст] /О.М. Осмонов, A.A. Ковалев //Известия Ошского технологии. университета. - Ош, 2002, №1. - с. 121 - 124.

21.Осмонов, О.М. К применению тепловой трубы с двигателем Стирлинга в автономной биоэнергетической установке [Текст] /О.М. Осмонов, И.Г. Кенжаев //Известия Ошского технологич. университета. - Ош, 2003, №1. - с.120 - 124.

22.0смонов, О.М. Расчет эффективности регенератора двигателя Стирлинга [Текст] /О.М. Осмонов, И.Г. Кенжаев //Известия Ошского технологич. университета. - Ош, 2003, №1. - с.72 - 76.

23.Осмонов, О.М. Разработка малометаллоемкой солнечной водонагрева-тельной установки из альтернативных материалов [Текст] /О.М. Осмонов, А.И. Исманжанов, С.К. Султанов //Известия Ошского технологич. университета. -Ош, 2003, №1. - с.149 - 152.

24.Осмонов, О.М. Использование параболоцилиндрического гелиоколлектора в системе теплоснабжения биогазового реактора [Текст] /О.М. Осмонов, И.Г. Кенжаев //Научн. тр. Южного отделения HAH KP. Выпуск третий. - Ош, изд-во «Илим», 2003, - с.102 - 108.

25.ОСМ0Н0В, О.М. Экологически безопасная биоэнергетическая установка [Текст] /О.М. Осмонов //Матер. VIII Межд. симп. «Техника экологически чистых производств в XXI веке: Проблемы и перспективы». - М., МГУИЭ, 2004. -с. 85 - 87.

26.0смонов, О.М. Результаты теплофизических измерений солнечного коллектора для теплоснабжения бногазового реактора [Текст] /О.М. Осмонов, С.П. Рудобашта //Матер. 5-й Межд. теплофизической школы. - Тамбов: ТГТУ, 2004. -4.2.-с. 219-223.

27.0smonov, О.М. Analyze of combustion process of gas fuel in furnace and burning unit of energetic unit with Stirling engine [Текст] /О.М. Осмонов, И.Г. Кенжаев. //Proceedings of the International conference: Energy considerations in Central Asia and Europe. 5-6 November, 2004, Tashkent. - p. 159 - 162.

28.0CMOHOB, О.М. Солнечная биогазовая установка [Текст] /О.М. Осмонов, A.A. Ковалев //Вестник ГНУ ВИЭСХ //Под. ред. Д.С.Стребкова. Выпуск №1(2)/2006. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. - с. 166 - 168.

29.Осмонов, О.М. Использование возобновляемых источников энергии в Киргизии [Текст] /О.М. Осмонов // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 5-й Межд.научно-техн.конф. -М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. - с. 50 - 55.

ЗО.Осмонов, О.М. Биогазовая технология и сохранение плодородия почвы в Кыргызской Республике [Текст] /О.М. Осмонов //Сб. докл. Межд. научн.-практич. конф. «Агроэкологические проблемы использования органических удобрений на основе отходов промышленного животноводства». - М., Россель-хозакадемия - ГНУ ВНИПТИОУ, 2006. - с. 116 - 120.

ЗІ.Осмонов, О.М. Использование тепловых аккумуляторов в биогазовой установке [Текст] /О.М. Осмонов //Матер. Всероссийск. научн.-практич. конф.: Актуальные проблемы развития АПК. - Саратов, ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2006. - с. 48 - 52.

32.0смонов, О.М., Технико-экономическая оценка биогазовых установок [Текст] /О.М. Осмонов, A.A. Ковалев //Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 5-й Межд.научно-техн.конф. -М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006,-С.267-272.

33.Осмонов, О.М. Биогазовый реактор с солнечным теплоснабжением [Текст] /О.М. Осмонов, С.П. Рудобашта //Матер. V Межд. конф. «Проблемы промышленной теплотехники», 22-26 мая 2007 г., - Киев, Украина, 2007. - с. 297 - 298.

34.0smonov, О.М. The sunbiolnerqetic installation and method of its engineering calculation [Текст] /О.М. Осмонов, С.П. Рудобашта //Proceedings of the International Conference «Biofuels for energetic 2009». Pragua, - p. 15 - 16.

35. Осмонов, О.М. Инфракрасная сушилка с обогревом от автономной биогазовой установки [Текст] /О.М. Осмонов, С.П. Рудобашта //Матер. Межд.научно-практ.конф. «Современные энергосберегающие тепловые технологии» - М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2011. - Том 2. - с. 294 - 299.

36.Осмонов, О.М. Концепция энергообеспечения рассредоточенных потребителей в сельской местности [Текст] /О.М. Осмонов, С.П. Рудобашта //Энергетическая политика, 2011, вып. 3. - с. 48 - 56.

37.0смонов, О.М. Энергообеспечение крестьянского хозяйства и сохранение плодородия пастбищных угодий [Текст] /О.М. Осмонов //Пленарные доклады и тезисы сообщений Межд.научно-практ.конф. «Инновационные энергосберегающие технологии». - М.: ФГБОУ ВПО МГАУ, 2012. - с. 68 - 70.

Патенты на изобретения:

38.Осмонов, О.М. Установка для производства биогаза [Текст]: пат. 2066304 на изобретение, Рос. Федерация: МПК 6C02F 3/28 /Осмонов О.М., Ковалев A.A.; заявл. 20.01.1994; опубл. 10.09.1996. Бюл. №25.-4с.: ил.

39.0смонов, О.М. Установка для производства биогаза [Текст]: пат. 2082682 на изобретение, Рос. Федерация: МПК 6C02F 3/28 /Осмонов О.М., Ковалев A.A., Ножевникова А.Н., Мельник P.A.; заявл. 26.01.1993; опубл. 27.06.1997. Бюл. №18.-4 е.: ил.

40.0смонов, О.М. Биоэнергетическая установка [Текст]: пат. 2253211 на изобретение, Рос. Федерация: МПК А01СЗ/00 /Осмонов О.М., Ковалев Д.А., Кенжа-ев И.Г.; заявл. 24.05.2004; опубл. 10.06.2005. Бюл. №16.-5 е.: ил.

41.Осмонов, О.М. Биоэнергетическая установка [Текст]: пат. 2284967 на изобретение, Рос. Федерация: МПК C02F 11/04 (2006.01) А01С 3/00 (2006.01) /Осмонов О.М., Ковалев Д.А.; заявл. 03.06.2005; опубл. 10.10.2006. Бюл. №28. -7 е.: ил.

42-Осмонов, О.М. Мокрый секционный газгольдер изменяемого объема [Текст]: пат. 2306478 на изобретение, Рос. Федерация: МПК В60Н 1/02 (2000.01) /Осмонов О.М., Рахматулина Л.И., Ковалев A.A.; заявл. 12.11.2007; опубл. 12.11.2007. Бюл. №26. - 5 е.: ил.

Подписано к печати 14.03.2013. Формат 60x84/16. Усл.-печ. л. 2,2. Тираж 100 экз. Заказ № 889.

Отпечатано в издательском центре ФГБОУ ВПО МГАУ: 127550, Москва, Тимирязевская, 58

05201350763

На правах рукописи

щ

Осмонов Орозмамат Мамасалиевич

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ АВТОНОМНЫХ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ДЛЯ КРЕСТЬЯНСКИХ ХОЗЯЙСТВ В ГОРНЫХ РАЙОНАХ КИРГИЗИИ

Специальность: 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Рудобашта Станислав Павлович

Москва - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 4

Глава 1. ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

УСТАНОВОК. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ..... 12

1.1. Взаимосвязанные энергетические, экологические

и агрохимические проблемы в горных районах Киргизии........... 12

1.2. Анализ исследований процесса анаэробной переработки органических отходов животноводства.................................... 32

1.3. Классификация и анализ сельскохозяйственных биоэнергетических установок............................................... 48

1.4. Выводы, постановка цели и задач исследования....................... 73

Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

УСТАНОВКИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ МЕТАНТЕНКА..................................... 75

2.1. Основы моделирования автономной биоэнергетической установки........................................................................ 75

2.2. Обоснование потребного объема биогазового

реактора для крестьянского хозяйства.................................... 86

2.3. Математическое моделирование системы солнечного теплоснабжения метантенка.................................................. 91

2.4. Характеристика фотоэлектрических преобразователей как

основы солнечной системы электроснабжения........................ 106

2.5. Структурная схема фотоэлектрической

системы биоэнергетической установки................................. 117

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБОСНОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ В ГЕЛИОБИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ........................ 132

3.1. Программа и методики экспериментальных исследований............ 132

3.2. Результаты исследований по обоснованию температурного

режима процесса анаэробного сбраживания биомассы............... 138

3.3. Исследования влияния дозы суточной загрузки на выход

биогаза при непрерывном режиме сбраживания........................ 143

3.4. Исследования системы солнечного энергообеспечения биогазового реактора......................................................... 149

Глава 4. ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО

УТИЛИЗАЦИИ ПРОДУКТОВ АНАЭРОБНОЙ КОНВЕРСИИ.... 163

4.1. Способы повышения энергетической эффективности анаэробной переработки отходов животноводства............... 163

4.2. Автономная биоэнергетическая установка с пространственным разделением стадий сбраживания..................................... 168

4.3. Утилизация биогаза в газосжигающих устройствах и характеристика процесса горения..................................... 174

4.3. Использование двигателя Стирлинга в технологической

схеме утилизации биогаза.............................................. 181

Глава 5. МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ

БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК................................ 192

5.1. Структурная схема включения биоэнергетической установки

в систему материального производства хозяйства.................. 192

5.2. Эффективность сброженного субстрата для повышения плодородия сельскохозяйственных угодий............................ 206

5.3. Технико-экономическая эффективность использования биоэнергетических установок........................................... 210

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ................... 219

ЛИТЕРАТУРА....................................................................... 222

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................240

ВВЕДЕНИЕ

Быстрорастущие экологические проблемы и постоянно растущий дефицит традиционных топливно-энергетических ресурсов (нефтепродуктов, угля, природного газа и т.д.) делают актуальным использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в различных странах мира.

Ресурсы возобновляемой энергии огромны и доступны каждой стране. В сценарии Мирового Энергетического Агентства (1ЕА) к 2050 году предусматривается удвоение доли использования мировых возобновляемых источников энергии (с 20% до 40%) в общем производстве энергии [1,2]. Возобновляемые источники энергии будут замещать уголь, нефть, газ и уран в производстве электроэнергии, теплоты и жидкого топлива. При этом важное значение придается снижению выбросов вредных веществ в окружающую среду, приводящих к нарушению теплового баланса атмосферы и глобальным изменениям климата на планете [3].

С другой стороны, изменение структуры сельскохозяйственного производства постсоветских стран в связи с переходом на рыночные условия хозяйствования обусловило увеличение количества мелких частных крестьянских хозяйств. При решении вопросов энергообеспечения быта крестьянские хозяйства, рассредоточенные в отдаленных труднодоступных местностях, испытывают потребность в привозных топливных материалах. Для таких хозяйств, важнейшим направлением повышения устойчивости энергоснабжения и снижения зависимости от монополии дорогостоящего централизованного обеспечения топливом является использование систем и средств возобновляемой энергетики.

Относительно небольшая потребляемая мощность применяемого бытового технологического оборудования (потребности в энергии на хозяйственно-бытовые нужды семьи из 4...5 человек в сельской местности составляют около 100 МДж в сутки) предопределяет широкое использование ВИЭ, в том числе биогаза, получающегося в процессе

анаэробной конверсии органических отходов сельскохозяйственного производства. При этом наряду с энергетическим аспектом, большое значение имеют также экологические (обеззараживание отходов) и агрохимические (получение высококачественных органических удобрений) аспекты применения биогазовой технологии.

Потенциал энергии биогаза, получаемого из сельскохозяйственных отходов, по оценкам российских специалистов, может покрыть более 10% общих энергетических потребностей сельскохозяйственного производства, и в настоящее время разработаны и функционируют большое количество установок по выработке биогаза из органических отходов в различных странах [4...7]. Однако большинство научно-обоснованных биогазовых реакторов предназначены для использования в системах утилизации отходов крупных животноводческих комплексов и предусматривают подогрев сбраживаемой биомассы с применением традиционных источников энергии, что сдерживает вовлечение в энергобаланс страны потенциальной энергии отходов мелких крестьянских хозяйств, рассредоточенно расположенных в регионах с децентрализованным энергоснабжением.

Поэтому разработка автономных биоэнергетических установок с подогревом сбраживаемой биомассы за счет местных ВИЭ является актуальной проблемой, решение которой вносит вклад в направлении эффективной утилизации отходов с обеспечением экологической безопасности в сельскохозяйственном производстве труднодоступных регионов страны.

Данная работа выполнена в рамках реализации следующих программ и проектов:

•научно-технической программы Всероссийского НИИ электрификации сельского хозяйства на 1992-1998г.г. (Госзаказ Россельхозакадемии) «Новые источники энергии», раздел 08.2. «Обосновать и разработать технологию и технические средства

автономного энергоснабжения пастбищного и отгонного скотоводства без применения внешних источников энергии»;

• проекта «Исследование и разработка технологии создания новых источников энергии на основе местных минерально-сырьевых и природных ресурсов» Государственного агентства по науке и интеллектуальной собственности при Правительстве Кыргызской Республики (КР);

•Международной научной программы НАТО «Наука во имя мира» SfP Project 972296 «Разработка энергетической установки с двигателем Стирлинга мощностью 3 кВт с комбинированным солнечно-газовым теплоподводом».

Целью работы является разработка научно-технических основ создания автономных биоэнергетических установок для крестьянских хозяйств в горных районах Киргизии.

Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:

•на основе анализа теоретических аспектов осуществления биометаногенеза и потенциала местных возобновляемых источников энергии разработать технологическую схему автономной биоэнергетической установки с непрерывным режимом сбраживания;

•установить теоретически обоснованные решения для определения потребного объема биогазового реактора и параметров технологического оборудования его энергообеспечения;

• выполнить экспериментальные исследования по обоснованию технологического режима анаэробного сбраживания в автономной биоэнергетической установке;

• разработать прогрессивные технические решения для утилизации продуктов анаэробной конверсии органических отходов сельского хозяйства;

• разработать методику инженерного расчета и оценки технико-экономической эффективности автономных биоэнергетических установок.

Объект исследования - технологии и технические средства анаэробной переработки органических отходов животноводства.

Предметом исследований являются системы анаэробной переработки органических отходов животноводства в крестьянских хозяйствах с отсутствием централизованного энергоснабжения.

Методика исследований. Исследования проведены на основе общих положений проведения научно-исследовательских работ с использованием теоретических основ теплотехники, биометаногенеза, физико-математического моделирования и математической обработки результатов. Методологической основой исследований являются работы ведущих ученых по энергосберегающим технологиям на основе использования возобновляемых источников энергии (П.П.Безруких, Д.С.Стребков, В.И.Виссарионов, С.В.Калюжный, А.А.Ковалев, Е.С.Панцхава, А.Н.Ножевникова, Б.В.Тарнижевский и др.).

Область исследования соответствует пунктам 8 «Разработка технологий и технических средств для обработки продуктов, отходов и сырья в сельскохозяйственном производстве» и 11 «Разработка инженерных методов и технических средств обеспечения экологической безопасности в сельскохозяйственном производстве» Паспорта специальности ВАК 05.20.01. - Технологии и средства механизации сельского хозяйства.

Научную новизну работы составляют:

- технологическая схема анаэробной переработки отходов крестьянского хозяйства в малогабаритных биогазовых реакторах с непрерывным режимом сбраживания, предусматривающая использование местных возобновляемых источников энергии для осуществления биометаногенеза;

- методика инженерного расчета автономной биоэнергетической установки, содержащая: установленную аналитическую зависимость для определения потребного объема биогазового реактора для крестьянских хозяйств; аналитические зависимости по взаимосвязанному определению

полезной площади солнечных коллекторов и объема аккумулятора теплоты для покрытия тепловой нагрузки биогазового реактора;

- разработанная методика теплотехнического расчета топочно-горелочного устройства для сжигания биогаза в системе теплоподвода двигателя с внешним подводом теплоты.

Практическую ценность работы представляют:

- классификация БЭУ по производительности и виду применяемых источников энергии для осуществления биометаногенеза;

- методика инженерного расчета автономных биоэнергетических установок для сельских потребителей;

- новые технико-технологические решения по утилизации продуктов анаэробной переработки органических отходов сельского хозяйства.

Новизна технико-технологических решений защищены патентами на изобретения (патенты РФ на изобретение №2253211, №2284967, №2306478).

Достоверность результатов исследований по разработке автономных биоэнергетических установок подтверждается выполненным анализом энергетических затрат и корректностью постановки задач исследования, соответствием теоретических разработок фундаментальным положениям биометаногенеза и теплотехники.

Личное участие автора в получении научных результатов. Автор являлся основным исполнителем на всех этапах данной работы, включая постановку задач исследований. Все работы (теоретический анализ проблемы, разработка технологий, математической модели и методики инженерного расчета, выполнение экспериментальных исследований, разработка технических решений биоэнергетических установок, изготовление и испытание опытного образца установки, технико-экономическое обоснование) проведены при личном и непосредственном участии автора.

Реализация результатов работы. Полученные результаты исследований по диссертационной работе переданы в государственное научно-внедренческое предприятие МГП «Эколог», в ЗАО «Центр ЭкоРос» (г. Москва, РФ), в «Центр проблем использования ВИЭ КР» (г. Бишкек, КР) для проектирования и изготовления установок по анаэробной переработке отходов сельского хозяйства в биогаз и экологически чистые удобрения.

Результаты исследований внедрены: при разработке биоэнергетических установок для фермерского хозяйства с содержанием 500 голов КРС (совместно с группой специалистов ГНУ ВИЭСХ, РФ) и крестьянского хозяйства с содержанием 18 голов КРС в условиях высокогорных пастбищ (Алайский район Ошской области, КР); при выполнении государственного контракта № 14.516.11.0037 «Разработка научно-технических основ создания автономного энергетического комплекса для выработки электроэнергии из биогаза» НИИ энергетического машиностроения Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Результаты работы внедрены также в учебный процесс подготовки инженеров по специальностям «Энергообеспечение предприятий», «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», «Электроснабжение (по отраслям)» в ФГБОУ ВПО МГАУ (РФ), в Ошском государственном и технологическом университетах (КР).

Основные положения выносимые на защиту:

•Технологические схемы автономных биоэнергетических установок, разработанные на основе комплексного подхода к обеспечению потребностей в энергии биогазового реактора и крестьянского хозяйства.

•Аналитические зависимости по определению потребного объема биогазового реактора и параметров технологического оборудования его

энергообеспечения посредством местных возобновляемых источников энергии.

•Технические решения компонентов биоэнергетической установки, направленные на повышение энергетической эффективности применения биогазовой технологии переработки органических отходов.

•Результаты экспериментальных исследований по обоснованию технологического режима анаэробного сбраживания в биоэнергетической установке с солнечным энергообеспечением.

•Методика инженерного расчета и оценки технико-экономической эффективности автономных биоэнергетических установок.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на:

Международной научной конференции ДААД-стипендиатов «Современное состояние научных исследований в Кыргызстане» (2001г., г.Бишкек); VIII Международном Симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника экологически чистых производств в XXI веке» (2004г., МГУИЭ, г.Москва); 5-й Международной теплофизической школе: «Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством» (2004г., ТГТУ, г.Тамбов); Международной конференции «Energy considerations in Central Asia and Europe» (ноябрь 2004г., г.Ташкент); Международной научно-практической конференции «Агроэкологические проблемы использования органических удобрений на основе отходов промышленного животноводства» (2006г., Россельхозакадемия - ГНУ ВНИПТИОУ, г.Владимир); 5-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (май, 2006г., ВИЭСХ, г.Москва); Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития АПК» (сентябрь, 2006г., г.Саратов); V-й Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники» (22-26 мая 2007г., г.Киев); Международной научно-практической конференции «Биоэнергетика:

экологические, экономические и технологические аспекты» в рамках реализации инновационной образовательной программы РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева (9-10 октября 2008г., г.Москва); Международной конференции «Biofuels for energetic 2009» (сентябрь 2009г., г.Прага, Чехия); IV-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии» (сентябрь 2011г., г.Москва); Международной научно-практической конференции «Инновационные энергосберегающие технологии» (2012г., г. Москва).

Кроме этого основные положения диссертации обсуждались на научных семинарах и заседаниях кафедры «Теплотехника и энергообеспечение предприятий» ФГБОУ ВПО МГАУ и