автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности биогазовых установок

На правах рукописи

КОВАЛЕВ Андреи Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

6 ФЕВ 2014

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2014 005544820

005544820

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства Российской академии с ел ьс кохозя йственн ых н ау к

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Харчснко Валерии Владимирович

Официальные оппоненты: Текучев Илья Кондратьевич, доктор

технических наук. Государственное научное учреждение Всероссийский научно-

исследовательский институт механизации животноводства, главный научный сотрудник -заведующий лабораторией Перспективных технологий производства молока

Гладченко Марина Анатольевна, кандидат технических наук. Химический факультет, МГУ им. N1. В. Ломоносова, старший научный сотрудник кафедры химической этимологии

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия»

Защита состоится 25 марта 2014 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 006.037.01, созданного на базе Государственного научного учреждения Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешияковский проезд, д. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства.

Автореферат разослан ^^ января 2014 г. Ученый секретарь (

диссертационного совета - .¿¿СС'' -") Алексей Иосифович Некрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

В настоящее время в мировой практике для утилизации навоза получили довольно широкое распространение биогазовые установки. Эти установки обрабатывают навоз и навозные стоки в анаэробных условиях, а продуктами их переработки являются биологический газ и высококачественные органические удобрения.

Однако, несмотря на положительные эффекты анаэробной обработки навоза в биогазовых реакторах, серьезным тормозом их внедрения в сельское хозяйство России является их относительно низкая энергетическая эффективность при производстве биогаза (до 60% выделившегося биогаза используется установкой для собственных нужд).

Основные положения получения биогаза были разработаны учеными: Амерханов P.A., Андрюхин Т.Я., Гриднев П.И., Гришаев И.Д., Гюнтер Л.И., Заварзин Г.А., Ковалев A.A., Ковалев Н.Г., Лосяков В.П., Мельник P.A., Кожевникова А.Н., Панцхава Е.С., Пузанков А.Г., Савин В.Д., Тарасов С.И., Тумченок В.И., Черепанов A.A., Шрамков В.М. и другие, а также зарубежные ученые: Баадер В., Беккер М., Бишофсбергер В., Блумберга Д., Вртовшек Я., Дихтл Н., Дубровские В., Зейфрид К., Зупанчич Г., Крауткремер Б., Леттинга Н., Линке Б., Маслич В., Някоу С., Павличенко В.П., Розенвинкель К., Смирнов О.П., Упитс A.A., Федотов В.М., Шмак Д. и др.

Основными затратами энергии для нужд биогазовой установки являются затраты тепловой энергии для поддержания теплового режима биогазовой установки. При использовании современных теплоизоляционных материалов на первое место выходят затраты тепла на нагрев суточной дозы загрузки до температуры процесса.

Существующие системы подогрева субстрата недостаточно эффективны и имеют низкий КПД. Поэтому необходимо разработать технологическую линию подогрева субстрата, способную обеспечить эффективное протекание процессов анаэробного сбраживания при минимальных затратах энергии.

1

Однако опыт применения подобных устройств незначителен в системах теплоснабжения биогазовых установок, а имеющиеся сведения в научно-технической литературе не позволяют создать эффективные энергосберегающие установки.

Целью настоящей работы является: повышение энергетической эффективности биогазовых установок путем совершенствования системы теплоснабжения биогазовой установки, обеспечивающей эффективное выполнение процесса при минимальных затратах энергии на собственные нужды установки.

Объект исследования: процесс получения биогаза путем анаэробного сбраживания бесподстилочного навоза КРС в биогазовых установках.

Предмет исследования - влияние применения средств рекуперации тепловой энергии, параметров теплообменных аппаратов и хладагентов на производительность биогазовых установок. Задачи исследования:

1. Определить энергетический баланс биогазовой установки с применением теплового насоса в качестве средства рекуперации тепловой энергии.

2. Разработать математическую модель системы теплоснабжения с рекуперацией тепловой энергии с помощью теплового насоса.

3. Разработать методику инженерного расчета системы рекуперации тепловой энергии.

4. Разработать экспериментальной установки и проведение на ней исследования процесса рекуперации.

5. Определить количество рекуперируемой энергии и увеличение выхода товарного биогаза по теоретическим и экспериментальным данным.

6. Определить экономической эффективности предлагаемой схемы переработки навоза КРС.

Методика исследований. Поставленные задачи решены с использованием теоретических основ теплотехники, теории планирования

эксперимента, методов теории вероятностей и математической статистики, физического моделирования и математической обработки данных.

Научная новизна. Разработаны и обоснованы параметры и режимы работы оборудования для системы теплоснабжения биогазовой установки с использованием компрессионного теплового насоса, обеспечивающей снижение затрат энергии на собственные нужды.

Получены теоретические положения для определения количества рекуперируемой тепловой энергии при применении различных средств рекуперации.

Экспериментально определены значения тепловых потоков в основных элементах системы теплоснабжения биогазовой установки.

Получены численные значения количества рекуперируемой тепловой энергии для системы теплоснабжения биогазовой установки с использованием компрессионного теплового насоса.

Разработана технологическая схема системы теплоснабжения биогазовой установки с использованием компрессионного теплового насоса и методика расчета технологической линии и параметров необходимого оборудования.

Выполнен пример расчета применительно к биогазовой установке для фермы КРС на 400 голов.

Практическая ценность. Предложена технологическая схема теплоснабжения биогазовой установки, обеспечивающая энергонезависимость переработки бесподстилочного навоза КРС от внешних источников тепловой и электрической энергии.

Данная система теплоснабжения биогазовой установки позволяет снизить энергозатраты на собственные нужды биогазовой установки, тем самым получив увеличение выхода товарной тепловой энергии на 128% (с 544,078 до 1237,478 кВт*чтэ"), а также получить товарную электроэнергию в количестве 374,8 кВт*чэл'эн' применительно к биогазовой установке для фермы КРС на 400 голов.

Годовой экономический эффект от применения предложенной технологической линии составит 982530 рублей.

Основные положения, выносимые на защиту: 1 - Технологическая схема биогазовой установки с рекуперацией тепловой энергии с помощью компрессионного теплового насоса.

2 - Математическая модель, устанавливающая количественные взаимосвязи режимов работы узлов системы теплоснабжения биогазовой установки с рекуперацией тепловой энергии эффлюента при помощи компрессионного теплового насоса с механическим приводом компрессора, обеспечивающая функционирование системы при минимальных затратах на собственные нужды.

3 - Методика расчета системы теплоснабжения биогазовой установки с использованием компрессионного теплового насоса с механическим приводом компрессора в качестве средства рекуперации.

4 - Экономическая эффективность энергонезависимой установки для переработки бесподстилочного навоза КРС.

Реализация результатов работы. Автор в составе лаборатории Биоэнергетических установок ГНУ ВИЭСХ участвовал в выполнении НИР «Проведение научных исследований по модернизации технологии с разработкой системы и технологической линии утилизации навоза и навозных стоков, образующихся на животноводческих фермах, обеспечивающей получение биогаза, качественных удобрений и улучшения экологии в зоне фермы», выполненной по государственному контракту № 1366/13, а также НИР «Оптимизация технологических параметров процесса переработки реакционных масс, образующихся при уничтожении фосфорорганических отравляющих веществ, методом биодеградации», шифр «Биозащита», выполненной по государственному контракту № Цр/07/2085/У30/К.

Разработан и создан ряд экспериментальных и пилотных установок, поставленных в различные организации России и СНГ (ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, Орловский ГАУ, Южноказахстанский государственный

университет, ООО «Фермерское» г. Мценск, Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, ФГУП Государственный научно-исследовательский институт органической химии и технологии).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и одобрены на пяти международных конференциях, организованных в ГНУ ВИЭСХ РАСХН и ГНУ ВНИИМЖ РАСХН в период с 2009 по 2013 года.

Публикации. Основные результаты работы по тему диссертации представлены в 17 печатных работах: из них 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в Перечень ВАК, 4 патента РФ и 10 статей в сборниках трудов международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 53 наименования и 5 приложений. Ее содержание изложено на 114 страницах, включая 23 таблицы и 31 рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована концепция повышения выхода товарных продуктов биогазовых установок.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом ВИЭСХ определенным заданием РАСХН 09.03.07.01 Разработать метод и параметры процесса рекуперации тепловой энергии в биогазовых установках с использованием теплонасосных установок и абсорбционно-холодильных машин.

В первой главе диссертации «Состояние вопроса и задачи исследований по повышению энергетической эффективности биогазовых установок» выполнен анализ затрат энергии на собственные нужды биогазовых установок, который показал, что анаэробное сбраживания субстрата влажностью 90-95 % -энергоемкий процесс, на проведение которого расходуется значительное количество энергии биогаза (до 60% полученного биогаза тратится на

собственные нужды установки). При этом, наиболее энергоемким является процесс нагрева суточной дозы загрузки биореактора, на который идет около 95% энергии, расходуемой на собственные нужды установи.

Интенсивность процесса анаэробного сбраживания в значительной мере зависит от температурного режима в метантенке. Нами составлена классификация методов поддержания температурного режима, представленная на рисунке 1, и выбран наиболее приемлемый тип теплообменника для использования в системе теплоснабжения биогазовой установки -коаксиальный расположенный внутри биореактора.

Встроенный внутрь теплообменник

Тепловая рубашка

Контактный подогрев

Внешний теплообменник

Рисунок 1 - Методы поддержания температурного режима

Анализ существующих методов повышения энергетической эффективности биогазовых установок показал, что для достижения увеличенного выхода товарных продуктов биогазовой установки необходимо использовать комбинированную схему системы теплоснабжения с компрессионным тепловым насосом в качестве средства рекуперации тепловой энергии.

На основе этого нами предложена усовершенствованная технологическая схема теплоснабжения биогазовой установки, представленная на Рисунке 2.

Согласно схеме, биогазовая установка состоит из емкости предварительного нагрева - 1, в котором смонтирован теплообменник - 11;

биореактора - 6 с внутренним теплообменником - 5 для поддержания температурного режима сбраживания и выгрузными устройствами, которые связанны с отстойником эффлюента - 7.

Теплота из блока утилизации теплоты от ДВС - 3 в зимний период (с декабря по февраль включительно) используется для компенсации тепловых теплопотерь через ограждающие поверхности биореактора - 6(компрессионный тепловой насос - 9 работает только на предварительный нагрев субстрата), а в летний период - для нужд потребителей.

В отстойнике эффлюента -7 смонтирован теплообменник - 10 для отбора тепловой энергии от эффлюента. Теплообменник - 10 посредством трубопроводов соединен с испарителем теплового насоса - 9. В испарителе теплового насоса - 9 происходит теплообмен между подготовленной водой и низкопотенциальным хладагентом, который после повышения энергетического потенциала в компрессоре теплового насоса - 9 направляется в конденсатор теплового насоса - 9.

Теплообменник-11, расположенный в емкости предварительного нагрева-1, посредством трубопроводов соединены с конденсатором теплового насоса- 9.

В конденсаторе теплового насоса - 9 происходит теплообмен между высокопотенциальным хладагентом и подготовленной водой, которая затем направляется в теплообменник - 11, расположенный в емкости предварительного нагрева - 1, где происходит теплообмен между подготовленной водой и инфлюентом, в результате чего инфлюент нагревается до рабочей температуры процесса сбраживания и поочередно подается в биореактор - 6.

Весь выработанный биогаз используется в ДВС - 12 для привода электрогенератора - 13 и компрессионного теплового насоса - 9.

Включение компрессионного теплового насоса в качестве средства рекуперации с непосредственным приводом от ДВС, работающего на биогазе, в систему теплоснабжения биогазовой установки позволит полностью компенсировать затраты энергии на собственные нужды и, как следствие, увеличить выход товарных продуктов биогазовой установки.

Рисунок 2 - Технологическая схема системы теплоснабжения биогазовой установки: 1 - емкость предварительного нагрева; 2 - насос загрузки; 3 - блок утилизации теплоты от ДВС; 4 - насос циркуляции теплоносителя; 5 - теплообменник блока-модуля; 6 - анаэробный биореактор; 7 - отстойник эффлюента; 8 - насос перемешивания субстрата; 9 - компрессионный тепловой насос; 10 - теплообменник-охладитель: 11 -теплообменник-нагоеватель: 12-ЛВС: 13 -электтюгенеттор

Биогаз

Биогаз

Сгущенная фракция

субстрат

Осветленная фракция

Опыт применения подобной технологической схемы теплоснабжения биогазовых установок незначителен и требует проведения исследований в области теплообмена субстрата в предлагаемом типе теплообменника, как в ламинарном, так и в турбулентном режимах.

В соответствии с вышеизложенным состоянием вопроса определена цель и поставлены задачи теоретических и экспериментальных исследований и сформулированы основные положения диссертации, выносимые на защиту.

Во второй главе диссертации «Основные теоретические предпосылки использования средств рекуперации в системах теплоснабжения биогазовых установок» рассмотрены теоретические положения работы теплового насоса, теоретические предпосылки использования предлагаемой системы теплоснабжения биогазовой установки, а также разработаны математическая модель и алгоритм определения параметров узлов системы теплоснабжения.

В соответствии с этим была выполнена сравнительная оценка различных фреонов теплового насоса, и был определен энергетический баланс биогазовой установки, согласно которому эффективное производство энергии на биогазовой установке возможно лишь в случае, когда суммарная энергия полученного биогаза будет значительно превышать расходы энергии на его производство, т.е. должно выполняться условие

ЕСц - расход электроэнергии на собственные нужды установки, кВт*ч; Пъл - КПД преобразования энергии биогаза в электроэнергию; (2сн- расход тепловой энергии на собственные нужды установки, кВт*ч; 17т ~ КПД преобразования энергии биогаза в тепловую энергию. Количество товарного (неиспользованного на собственные нужды установки) биогаза [м3/сут.] может быть представлено как

(1)

где Уг - общее количество полученного биогаза, м3/сут.; X — теплотворная способность биогаза, кДж/мэ;

Бся/ .вен /

к. = V--^ /г?т » 3600. (2)

т г я

Расход тепловой энергии на собственные нужды установки равен:

Оси = 0н+0к - (¡Р, (3)

где Q^¡- расход тепловой энергии на предварительный нагрев субстрата до температуры брожения, кВт*ч;

Qк - суточный расход тепловой энергии на компенсацию теплопотерь от ограждающих конструкций и трубопроводов, кВт*ч;

Qp - количество рекуперированной тепловой энергии, кВт*ч'. Расход теплоты на предварительный нагрев субстрата [кВт*ч] определяется как

_ Сн*рн*Ун*{Тн-Т1)*п - ' { )

где С// - теплоемкость субстрата, кДж/(кг °С); рн - плотность субстрата, кг/м3; ¥н— суточная доза загрузки, м3/сут; Тн- конечная температура нагрева субстрата, °С; Т1 - исходная температура субстрата, °С; п — число часов работы теплового насоса в сутки, ч/сут. Среднесуточный расход теплоты [кВт*ч], необходимый для компенсации теплопотерь через ограждающие поверхности биореактора при среднегодовой температуре наружного воздуха

0к = к*Р*СТи-Тв)* 10-3*24, (5)

где к— коэффициент теплопередачи, Вт/м2К; Г— площадь ограждающих поверхностей биореактора, м2; Т1Г - температура субстрата в биореакторе,°С; Т„ - температура наружного воздуха, °С.

Максимальное суточное количество низкопотенциальной теплоты

эффлюента, кВт:

0 тпах _ Сн"Рн'уН"(Тн~тохтт)*10 3 ^

^eff ~ 24*3600 '

где Тох ,„„ ~ температура эффлюента в отстойнике, необходимая для прекращения остаточного газовыделения, °С.

Среднесуточное количество рекуперируемой теплоты, кВт*ч:

о < (?Р < дв/гтах * - п, (7)

где £ - коэффициент преобразования теплового насоса с учетом изоэнтропического и механического КПД компрессора теплового насоса.

Отсюда следует, что количество рекуперируемой энергии зависит от коэффициента преобразования теплового насоса.

На основании теории теплообмена и энергетического баланса была составлена следующая математическая модель.

Целью моделирования параметров теплообменных аппаратов и компрессора теплового насоса системы теплоснабжения биогазовых установок является оценка параметров и условий работы теплообменников и компрессора применительно к различным температурным режимам работы биогазовой установки, суточным дозам загрузки и физическим свойствам обрабатываемого субстрата и хладагента.

Основные расчетные зависимости для определения минимальной мощности компрессора теплового насоса, площади теплообменных аппаратов, расположенных в баке предварительного нагрева и в отстойнике.

ЛГК = /'(параметров). (8)

Я™ вп = /(параметров). (9)

Ятоотс =/(параметров) (Ю)

Расчетная минимальная мощность компрессора зависит от множества параметров, включающих в себя физические свойства хладагента, суточную дозу загрузки биореактора, температуру процесса анаэробного сбраживания, подачу насоса перемешивания в баке предварительного нагрева (он же насос загрузки биореактора), подачи циркуляционных наосов греющего и охлаждающего теплоносителей, типа теплообменных аппаратов,

расположенных в баке предварительного нагрева и в отстойнике, и физических свойств субстрата.

Вторая основная расчетная зависимость в таком случае будет выглядеть

как:

<?н

£гоб п=Т ГГГ" О1)

то бп а11,

где Рта 6п - площадь теплообменника бака преднагрева, м2;

кто бп - коэффициент теплопередачи теплообменника бака преднагрева,

Вт/м2К;

- средний температурный напор через стенку теплообменника бака преднагрева, °С.

Третья основная расчетная зависимость в таком случае будет выглядеть

как:

<2о

1 ТО ОТС т Л + (12)

*то бп * ПГ2,

где ^тоотс - площадь теплообменника отстойника эффлюента, м2;

кто отс - коэффициент теплопередачи теплообменника отстойника эффлюента, Вт/м2К;

Лс2 - средний температурный напор через стенку теплообменника отстойника эффлюента, °С.

Из теплового баланса:

<?о = <?„ - К + <?ПСТ1 + <Зпот2 + 0К, (13)

где 0пот - потери теплоты от трубопроводов в окружающую среду, Вт;

<2К - теплота, используемая для компенсации теплопотерь в окружающую среду от ограждающих поверхностей биореактора, Вт.

Таким образом, для использования приведенных зависимостей необходимо экспериментально определить численные значения максимального суточного количества низкопотенциальной теплоты эффлюента и удельного выхода биогаза, соответствующего ему.

В третьей главе диссертации «Экспериментальные исследования процесса анаэробной обработки отходов животноводства с рекуперацией тепловой энергии», в соответствии с задачами теоретических исследований разработана программа, методика исследований и изготовлена экспериментальная установка, на которой проведены необходимые исследования.

Опыты по определению максимального суточного количества низкопотенциальной теплоты эффлюента проводились в лабораторных условиях ГНУ ВИЭСХ, Москва на установке, представленной на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3 - Общий вид экспериментальной биогазовой установки

Рисунок 4 - Технологическая схема экспериментальной биогазовой установки: 1 - бак преднагрева; 2 - механическая лопастная мешалка; 3 - теплообменник нагрева инфлюента; 4 -биореактор; 5 - теплообменник компенсации теплопотерь; 6 - выгрузное устройство; 7 - отстойник эффлюента; 8 - теплообменник охлаждения эффлюента; 9 - насос циркуляции охлаждающего теплоносителя; 10 -испаритель теплового насоса; 11 - компрессионный тепловой насос; 12 - компрессор теплового насоса; 13 -конденсатор теплового насоса; 14 - насос циркуляции греющего теплоносителя

Значения тепловых нагрузок на теплообменники теплового насоса и коэффициентов преобразования теплоты теплового насоса каждого эксперимента приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты экспериментов по тепловому насосу

Показатели №1 №2 №3 №4 Средние значения

Тепловая нагрузка на испаритель, кДж/кг 224,8 226,74 229,04 221,77 225,3

Тепловая нагрузка на конденсатор, кДж/кг 324,8 326,74 329,04 321,77 325,3

Тепловая нагрузка на перегреватель, кДж/кг 81 81 81 81 81

Коэффициент преобразования теплового насоса 4,058 4,077 4,1 4,028 4,063

Значения коэффициентов теплопередачи практически постоянны в каждом эксперименте, так как не изменялись размеры и материалы теплообменников, а также расходы теплоносителей. Однако с изменением температуры теплоносителей изменяются их физические свойства, что влияет на критериальные зависимости и на значения коэффициентов теплопередачи. Значения коэффициентов теплопередачи приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Коэффициенты теплопередачи

Показатели №1 №2 №3 №4 Средние значения

Нагревателя в баке преднагрева внутренний, Вт/м2К 887,7111 869,9271 878,1012 856,7088 872,822

Нагревателя в баке преднагрева внешний, Вт/м2К 678,6131 664,7334 671,6393 655,1459 667,2229

Охладителя в отстойнике внутренний, Вт/м2К 284,8 295,62 314,34 326,74 304,93

Охладителя в отстойнике внешний, Вт/м2К 177,48 183,14 194,31 202,78 188,46

Таблица 3 - Количество низкопотенциальной теплоты эффлюента и рекуперируемой теплоты

Показатели №1 №2 №3 №4 Средние значения

Максимальное суточное количество теплоты эффлюента, Ое(ттах, кВт*ч 0,293 0,224 0,336 0,266 0,28

Количество рекуперируемой теплоты, Ор, кВт*ч 0,372 0,281 0,42 0,33 0,351

Расчетное количество рекуперируемой теплоты, кВт*ч 0,391 0,299 0,448 0,354 0,373

Как видно из полученных данных, значения количества рекуперируемой теплоты больше максимального суточного количества теплоты эффлюента, что подтверждается формулой (7).

Среднее отклонение экспериментально определенных значений количества рекуперируемой теплоты от расчетных не превышает 6%.

В четвертой главе диссертации «Технико-экономическая оценка эффективности использования компрессионного теплового насоса в системе теплоснабжения биогазовых установок» приведена методика расчета системы теплоснабжения биогазовых установок с применением компрессионного теплового насоса и определена эффективность предложенной системы теплоснабжения биогазовых установок.

Основной задачей данной методики является определение параметров узлов системы теплоснабжения биогазовой установки с рекуперацией теплоты эффлюента компрессионным тепловым насосом по исходным данным, полученным в результате обработки экспериментальных данных.

Исходными данными являются:

- суточная доза загрузки биореактора, м3/сут.;

- температурный режим работы биореактора, °С;

- температура исходного субстрата, °С;

О/ч

- среднегодовая температура наружного воздуха, С,

- время работы теплового насоса, ч;

- применяемый хладагент и его физические свойства;

- физические свойства субстрата.

На основе математической модели и теплового баланса, приведенных в Главе 2, определяются основные параметры оборудования системы теплоснабжения.

По указанной методике нами выполнен пример расчета предлагаемой системы теплоснабжения биогазовой установки и экономической эффективности, применительно ферме КРС на 400 голов.

Таблица 4 - Пример расчета системы теплоснабжения биогазовой

установки

Параметр Ед. изм. Значение

Суточная доза загрузки биореактора,V,, м3/суг. 25

Температурный режим, ^ иС 55

Температура исходного субстрата, 1] °С 10*

Температура, необходимая для прекращения остаточно газовыделения, 1:ох °С 7

Температура окружающей среды, 1окр иС 4,1*

Время работы теплового насоса в сутки, тк ч 24

Тип хладагента - Я717

Теплоемкость субстрата, с„ кДж/кг*К 4,06

Плотность субстрата, р„ кг/м3 1020

Объем бака преднагрева,Убп м' 35

Объем отстойника эффлюснта,Уотс м3 35

Количество теплоты для нагрева суточной дозы, 0„ кВт*ч/суг. 1294,12

Максимальное количество теплоты, отбираемой от эффлюента, 0е|ттах кВт*ч/сут. 1380,4

Количество теплоты на компенсацию теплопотерь биореакторов, Ок кВт*ч/сут. 66,46

Подача насоса циркуляции греющего теплоносителя, Оц| м3/ч 2,412

Подача насоса циркуляции охлаждающего теплоносителя, вцг м3/ч 2,573

Диаметр трубопровода греющего теплоносителя, сЦ м 0,032

Диаметр трубопровода охлаждающего теплоносителя, сЬ м 0,032

Потери в окружающую среду трубопровода греющего теплоносителя, 0„<ш кВт 6,64

Потери в окружающую среду охлаждающего теплоносителя, Опот2 кВт 2,85

Тепловая мощность конденсатора теплового насоса, 0«,« кВт 75,92

Тепловая мощность испарителя теплового насоса, (3„ кВт 85,43

Мощность компрессора теплового насоса, N. кВт 14,4

Коэффициент преобразования теплового насоса, е - 5

* - среднегодовые значения температур и времени работы.

Для оценки экономической эффективности биогазовых установок в ГНУ ВИЭСХ разработана специальная методика, основанная на сравнении альтернативных вариантов переработки навоза - с применением традиционной или предлагаемой системой теплоснабжения биогазовых установок.

Критерием оценки эффективности в сфере эксплуатации биогазовых установок является годовой экономический эффект.

За базу для сравнения была принята традиционная система теплоснабжения биогазовой установки, адаптированная к техническим условиям разрабатываемой системы теплоснабжения биогазовой установки.

Таблица 5 - Сводный баланс (в млн. руб.) расчета годового

экономического эффекта

Показатели Составляющие эффекта млн. руб., млн. руб./год

Традиционная биогазовая установка Биогазовая установка с рекуперацией теплоты эффлюента

1. Капитальные вложения: - общестроительные и монтажные работы - оборудование - проектная и техническая документация ; 1,78 3,96 0,86 1,52 4,49 0,89

2. Затраты на эксплуатацию: амортизационные отчисления и текущий ремонт - фонд заработной платы - 0,33 0,12 0,345 0,12

3. Эффект от получения товарного биогаза + 0,063 0,088

4. Эффект от улучшения качества жидких удобрений + 0,852 0,852

5. Эффект от ликвидации техногенных ущербов + 0,998 0,998

Заключение

В результате проведенных исследований получены следующие выводы:

1. Разработана усовершенствованная система теплоснабжения биогазовой установки, способная получить товарную тепловую и электрическую энергию в размере 1237,478 кВт*ч/сут. и 374,8 кВт*ч/сут. соответственно, применительно к ферме КРС на 400 голов.

2. Определен энергетический баланс биогазовой установки с рекуперацией теплоты эффлюента при помощи компрессионного теплового насоса, согласно которому теплота, затрачиваемая на собственные нужды установки, полностью компенсируется за счет рекуперируемой теплоты с получением дополнительной товарной тепловой энергии (1367 кВт*ч/сут., 1553,4 кВт*ч/сут., 186,4 кВт*ч/сут. соответственно, применительно к биогазовой установки для фермы КРС на 400 голов).

3. На основе теории теплообмена получены формулы для определения параметров узлов системы теплоснабжения биогазовой установки с применением теплового насоса в качестве средства рекуперации. На основании полученных формул разработаны алгоритм и методика определения параметров узлов системы теплоснабжения биогазовой установки с компрессионным тепловым насосом в качестве средства рекуперации.

4. Экспериментально определены значения максимального суточного количества тепловой энергии эффлюента (0,336 кВт*ч/сут.), скорости нагрева (0,46 °С/мин.) и количества рекуперируемой теплоты (0,448 кВт*ч/сут.). Среднее отклонение экспериментально определенных значений от расчетных не превышает 6%.

5. На основе разработанных алгоритма и методики определения параметров узлов системы теплоснабжения биогазовой установки с компрессионным тепловым насосом в качестве средства рекуперации выполнен пример расчета применительно к ферме КРС на 400 голов.

6. Определена экономическая эффективность применения предложенной схемы теплоснабжения биогазовой установки:

- количество товарной тепловой энергии 451679,47 кВт*чв год;

- количество товарной электрической энергии 136802 кВт*ч в год;

- жидких удобрений на основе сброженного навоза 9125 т в год. Общий годовой экономический эффект составит 982530 рублей. Эффект образуется за счет прибыли от полученной продукции, а также за счет предотвращенного ущерба от загрязнений водного и воздушного бассейнов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в рецензируемых журналах, входящих в Перечень ВАК

1. Ковалев, A.A. Сравнительные показатели работы тепловых насосов абсорбционного и компрессионного типа в системе теплоснабжения биогазовых установок / Ковалев A.A., Ковалев Д.А., Харченко В.В. // Механизация и электрификация сельского хозяйства 2012. №4. - С. 24-26.

2. Ковалев, A.A. Система теплоснабжения биогазовой установки блочно-модульной конструкции с использование рекуперации теплоты эффлюента для фермы на 400 голов КРС / Ковалев A.A., Ковалев Д.А., Харченко В.В. // Альтернативная энергетика и экология. 2013. №5. -С. 61-67.

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

Патенты

4. Патент № 2407723, Российская Федерация, МПК C05F 3/06. Технологическая линия утилизации бесподстилочного навоза с получением биогаза и удобрений [Текст] / Ковалев Д.А., Камайданов E.H., Ковалев A.A. Заявитель и патентообладатель ГНУ ВИЭСХ (RU). -№2009109767; заявл. 19.03.2009; опубл. 27.12.2010, Бюл. №36 - 9 е.: ил.

5. Патент № 2414443, Российская Федерация, МПК C05F 3/06. Линия утилизации навоза с получением биогаза и удобрений [Текст] / Ковалев Д.А., Камайданов E.H., Лебедев В.В., Ковалев A.A. Заявитель и патентообладатель ГНУ ВИЭСХ (RU). - №2009121304; заявл. 04.06.2009; опубл. 20.03.2011, Бюл. №8 - 8 е.: ил.

6. Патент №2423323, Российская Федерация, МПК C02F 11/04. Установка для анаэробной переработки субстратов в биогаз и удобрения [Текст] / Ковалев Д.А., Камайданов E.H., Лебедев В.В., Ковалев A.A. Заявитель и патентообладатель ГНУ ВИЭСХ (RU). - №2009121305; заявл. 04.06.2009; опубл. 10.07.2011, Бюл. №19 - 10 е.: ил.

7. Патент №2473473, Российская Федерация, МПК C02F 11/00. Аппарат для обработки ферментированных органических субстратов [Текст] / Ковалев Д.А., Камайданов E.H., Ковалев A.A. заявитель и патентообладатель ГНУ ВИЭСХ (RU). - №2011111134; заявл. 24.03.2011; опубл. 27.01.2013, Бюл. №3 - 10 е.: ил.

Другие издания

8. Ковалев, A.A. Концепция повышения производительности биогазовых установок / Ковалев A.A., Ковалев Д.А. // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 5-й Международной научно-технической конференции. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. Часть 4. -С. 16-17.

9. Ковалев, A.A. Совершенствование процесса утилизации навоза свиноферм / Ковалев A.A., Ковалев A.A. // Вестник ВИЭСХ. «Энергетика и электротехнологии в сельском хозяйстве». Выпуск №1(2). М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006.-С. 161-165.

Ю.Ковалев, A.A. Получение биогаза и перспективы снижения расхода воды в системах утилизации навозных стоков на полях орошения / Ковалев A.A., Ковалев A.A. //В кн.: Агроэкологические проблемы использования органических удобрений на основе отходов промышленного животноводства. Владимир, 2006. - С. 91-94.

П.Ковалев, Д.А. Блочно-модульный принцип построения биогазовых установок / Ковалев Д.А., Ковалев A.A. // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 6-й Международной научно-технической конференции. Часть. 4. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. -С. 461-466.

12.Ковалев, A.A. Усовершенствованный анаэробный реактор в системе блочно-модульной биогазовой установки / Ковалев A.A., Ковалев Д.А. // Сборник трудов 10-й Международной научно-практической конференции ГНУ ВНИИМЖ «Научно-технический прогресс в животноводстве -ресурсосбережение на основе создания и применения инновационных технологий и техники». Том 18. Подольск, 2008. - С. 243-246.

1 З.Ковалев, A.A. Обоснование применения теплонасосной установки в системах анаэробного сбраживания / Ковалев A.A., Ковалев Д.А. // Сборник трудов 13-й Международной научно-практической конференции ГНУ ВНИИМЖ. Том 20. «Машинно-технологическое обеспечение животноводства - проблемы эффективности и качества». Подольск, 2010. -С. 251-255.

14.Ковалев, A.A. Технико-экономическое обоснование применения абсорбционной холодильной машины в системе теплоснабжения / Ковалев A.A. // Сборник трудов 13-й Международной научно-практической конференции ГНУ ВНИИМЖ. Том 22. «Научно-технический прогресс в животноводстве — инновационные технологии и модернизация в отрасли». Подольск, 2011. — С. 264-267.

15.Ковалев, A.A. Анализ показателей работы тепловых насосов компрессионного и абсорбционного типа в системе теплоснабжения биогазовой установки / Ковалев A.A., Харченко В.В. // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 8-й Международной научно-технической конференции. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012. Часть 4.-С. 179-186.

16.Ковалев, A.A., Ковалев Д.А. Возможные пути повышения энергетической эффективности биогазовой установки / Ковалев A.A., Ковалев Д.А. // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2012. № 4. С. 36-41.

17.Ковалев, A.A. Энергонезависимая установка для переработки органических отходов животноводства / Ковалев A.A. // Сборник трудов 16-й Международной научно-практической конференции ГНУ ВНИИМЖ «Совершенствование управления технологическими процессами в животноводстве - основа повышения эффективности производства и качества продукции». Подольск, 2013. - С. 259-263.

Подп. в печать 20.01.2014. Формат 60x90/16. Объем 1,5 печл. Тираж 110экз. Печатьцифровая. Заказ №7 7.

Отпечатано в типографии ООО «Апаче Групп» ИНН 7707715479 Адрес: 127055, г. Москва, Бутырский вал, 48-50

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ГНУ ВИЭСХ)

На правах рукописи

04201456382

КОВАЛЕВ Андрей Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОГАЗОВЫХ

УСТАНОВОК

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д.т.н., профессор Харченко В.В.

Москва - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ БЕСПОДСТИЛОЧНОГО НАВОЗА КРС 8

1.1. Современные способы и технические средства обеспечения температурного режима процесса анаэробной переработки бесподстилочного навоза КРС. 8

1.2. Методы повышения энергоэффективности систем генерации энергии на основе биогазовых установок для переработки бесподстилочного навоза КРС. 18

1.3. Усовершенствованная система теплоснабжения биогазовой установки для переработки бесподстилочного навоза КРС с рекуперацией теплоты эффлюента при помощи компрессионного теплового насоса. 28 Выводы. Цель и задачи исследований. 31 ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СРЕДСТВ РЕКУПЕРАЦИИ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК 33

2.1. Теоретические положения работы теплового насоса. 33

2.2. Энергетический баланс биогазовой установки. 44

2.3. Математическая модель и алгоритм выбора параметров теплообменных аппаратов и компрессора теплового насоса. 47 Выводы, задачи экспериментальных исследований. 58 ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА АНАЭРОБНОЙ ОБРАБОТКИ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ 59 3.1. Описание экспериментальной установки. 59

3.2. Программа и методика исследований. 62

3.3. Приборы и средства измерения. 69

3.4. Анализ результатов экспериментальных исследований. 70 Выводы. 84 ГЛАВА 4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПРЕССИОННОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА В СИСТЕМЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК 85

4.1. Методика расчета системы теплоснабжения анаэробных реакторов с применением компрессионного теплового насоса. 85

4.2. Определение экономической эффективности предложенной системы теплоснабжения биогазовых установок. 90 Заключение. 102 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. 104 Приложения. 110

ВВЕДЕНИЕ

В современных развитых странах мира на выработку электрической энергии и тепла низкого и среднего потенциала затрачивается основная часть добываемых топливно-энергетических ресурсов.

Анализ перспектив развития систем теплоснабжения показывает, что покрытие тепловых нагрузок будет обеспечиваться за счет сжигания органического топлива.

Отрицательные тенденции развития традиционной энергетики обусловлены в основном наличием двух факторов - быстрым истощением природных ресурсов и загрязнением окружающей среды. По данным ООН, истощение залежей угля предполагается в 2082—2500 гг.

Перспективные технологии традиционной энергетики повышают эффективность использования энергоносителей, но не улучшают экологическую ситуацию: тепловое, химическое и радиоактивное загрязнение окружающей среды может привести к катастрофическим последствиям.

В связи с этим возникает необходимость выявления возможностей рационального использования ресурсов традиционной энергетики с одной стороны и развитие научно-технических работ по использованию нетрадиционных и возобновляемых источников энергии — с другой.

Обострение экологических проблем, истощение запасов невозобновляемых энергоресурсов, рост цен на них, обусловили глобальный интерес к разработке и использованию технологии биоконверсии органических отходов для получения энергии.

В соответствии с научно-техническими прогнозами на перспективу конверсия биомассы является наиболее распространенным энергетическим ресурсом среди возобновляемых источников энергии.

Известно, что животные плохо усваивают энергию растительных

кормов и более половины ее уходит в навоз, который является ценным

органическим удобрением и может быть при этом использован в качестве

4

возобновляемого источника энергии. Концентрация животных на крупных фермах и комплексах обусловили увеличение объемов навоза и навозных стоков, которые должны утилизироваться, не загрязняя окружающую среду.

Одним из путей рациональной утилизации бесподстилочного навоза КРС является его анаэробное сбраживание, которое обеспечивает обезвреживание навоза и сохранение его как обеззараженного высококачественного органического удобрения при одновременном получении биогаза, содержащего около 70% метана. Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных бактерий и метанобразующих превращаются в газообразные продукты.[5,6]

Чрезвычайно важна утилизация биомассы в сельском хозяйстве, где на различные технологические нужды расходуется большое количество топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях.

Биогаз — это смесь газов, в основном метана и углекислого газа, образующаяся в анаэробных реакторах, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, достигает до 60% той, которой обладает исходный материал. Другое, и очень важное, достоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в его отходах содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.

Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов.

Получение биогаза, возможное в установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла.

Основные положения получения биогаза были разработаны учеными:

Амерханов P.A., Андрюхин Т.Я., Гриднев П.И., Гришаев И.Д., Гюнтер Л.И.,

Заварзин Г.А., Ковалев A.A., Ковалев Н.Г., Лосяков В.П., Мельник P.A.,

5

Ножевникова А.Н., Панцхава Е.С., Пузанков А.Г., Савин В.Д., Тарасов С.И., Тумченок В.И., Черепанов A.A., Шрамков В.М. и другие, а также зарубежные ученые: Баадер В., Беккер М., Бишофсбергер В., Блумберга Д., Вртовшек Я., Дихтл Н., Дубровские В., Зейфрид К., Зупанчич Г., Крауткремер Б., Леттинга Н., Линке Б., Маслич В., Някоу С., Павличенко В.П., Розенвинкель К., Смирнов О.П., Упитс A.A., Федотов В.М., Шмак Д.

Несмотря на многолетнее применение биогазовых установок и еще более длительный период исследований протекающих в них процессов, наши представления об основных его закономерностях и механизмах отдельных стадий недостаточны, что определяет в ряде случаев низкую эффективность работы биогазовых установок, не позволяет в необходимой степени управлять их работой, приводит к неоправданному завышению строительных объемов, увеличению эксплуатационных затрат и соответственно стоимости

л

1 м получаемого биогаза. Это выдвигает народно-хозяйственные задачи по разработке наиболее эффективных технологических схем биогазовых установок, состава их оборудования, созданию новых конструкций и расчета их параметров, повышения надежности их работы, снижения стоимости и сроков строительства, что является одной из актуальных проблем при решении вопроса энергообеспечения объектов сельскохозяйственного производства.

В технологической схеме действия биогазовой установки наиболее энергозатратным процессом является нагрев субстрата, подаваемого в биореактор, до температуры процесса. При этом такое же количество обработанного субстрата с температурой процесса будет удаляться из биореактора.

Существующие системы подогрева навоза недостаточно эффективны и имеют низкий КПД. Поэтому целью диссертационной работы явилась разработка технологической линии теплоснабжения биогазовой установки, способной обеспечить эффективное протекание процессов анаэробного сбраживания при минимальных затратах выработанного биогаза.

Для достижения этой цели были изучены основные методы повышения энергетической эффективности систем генерации энергии на основе анаэробной обработки навоза; экспериментально проверены критериальные зависимости для определения коэффициента теплопередачи при вынужденном и конвективном движении навоза в емкостях предварительной пост- обработки, снабженных теплообменниками.

На основе полученных расчетных зависимостей была разработана математическая модель и алгоритм выбора параметров теплообменных аппаратов и компрессора теплового насоса в системе теплоснабжения биогазовой установки с рекуперацией теплоты эффлюента при помощи компрессионного теплового насоса.

Внедрение этой технологической линии позволит получить расчетный годовой экономический эффект размере 983 тысячи рублей.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ БЕСПОДСТИЛОЧНОГО НАВОЗА

КРС

1.1. Современные способы и технические средства обеспечения температурного режима процесса биогазовых установок для переработки

бесподстилочного навоза КРС.

В настоящее время в мировой практике для утилизации навоза всё более широкое распространение получают биогазовые установки. Эти установки обрабатывают навоз в анаэробных условиях, а продуктами их переработки являются биологический газ и высококачественные органические удобрения.

Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных бактерий и метанобразующих превращаются в газообразные продукты - метан и углекислоту. Одновременно при сбраживании навоза обеспечивается его дезодорация, дегельминтизация, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую растениями форму.

Однако, несмотря на положительные эффекты анаэробной обработки навоза в биогазовых реакторах, серьезным тормозом их внедрения в сельское хозяйство России является их относительно низкая энергетическая эффективность при производстве биогаза (до 60% выделившегося биогаза используется установкой для собственных нужд).

Основными затратами энергии для нужд биогазовой установки являются затраты тепловой низкопотенциальной энергии для поддержания теплового режима биогазовой установки. При использовании современных теплоизоляционных материалов на первое место выходят затраты тепла на нагрев суточной дозы загрузки до температуры процесса.

Анаэробное сбраживания субстрата влажностью 90-95 % -энергоемкий процесс, на проведение которого расходуется значительное количество энергии биогаза. Анализ затрат энергии на поддержание процесса показывает, что основная ее часть расходуется на нагрев субстрата до температуры сбраживания.

На Рисунке 1.1 показаны расчетные выработка и потребление биогаза на собственные нужды биогазовой установки с рабочим объемом 60 м , работающей в термофильном режиме. Биогазовая установка имеет теплоизоляцию из минеральной ваты толщиной 300 мм и расположена в Московской области. Суточная доза загрузки составляет 10% от рабочего объема метантенка и равна 6 м навоза КРС с влажностью 92%.

Выработка и потребление биогаза

ж Выработанный товарный биогаз

■ Потребление биогаза на нагрев суточной дозы

я Потребление биогаза на компенсацию теплопотерь

Рисунок 1.1. Структура выработки и потребления биогаза.

Интенсивность процесса анаэробного сбраживания в значительной мере зависит от температурного режима в метантенке. Так, при работе метантенка в мезофильном режиме при температуре сбраживания 37 °С допустимое колебание температур составляет 2,8 °С, а при термофильном режиме (55 °С) - лишь 0,3 °С,[7]. Поэтому, чтобы получить необходимую для протекания процесса температуру и поддерживать ее на заданном уровне, необходимо подогреть подаваемый на анаэробную обработку субстрат до

з%

температуры, близкой к температуре сбраживания и обеспечить дополнительный подогрев для компенсации теплопотерь,[1].

В настоящее время используются различные методы обеспечения температурного режима в биогазовых установках, которые можно условно разделить на 4 группы:

- подогрев встроенными внутрь метантенка теплообменниками;

- подогрев через поверхность метантенка;

- контактный нагрев субстрата;

- подогрев в наружных теплообменниках.

Схематическое изображение методов поддержания температурного режима приведено на Рисунке 1.2.

Встроенный внутрь теплообменник

Тепловая рубашка

Контактный подогрев

Внешний теплообменник

Котел

Котел

Т

Пар

Рисунок 1.2. Методы поддержания температурного режима

В небольших реакторах, снабженных, как правило, перемешивающими устройствами, широко применяются теплообменники, смонтированные внутри метантенка. В качестве нагревательных элементов применяются трубы, стержни, нагревательные цилиндры, плоские теплообменники и т.п. по которым циркулирует теплоноситель.

Недостатком подогрева субстрата с помощью внутренних теплообменников и через поверхность метантенка является то, что для обеспечения необходимой теплопередачи температура теплоносителя, циркулирующего в нагревательных элементах, не должная превышать 50-60°С. Однако даже в этом случае скорость субстрата, циркулирующего около поверхности нагревателя, оказывается слишком малой, в результате чего будет происходить постепенное прилипание твердых частиц субстрата на поверхности теплообмена, и, как следствие, ухудшение теплопередачи.

В большинстве случаев для выполнения операций по ремонту и обслуживанию теплообменников приходиться опорожнять метантенк и останавливать процесс на длительное время.

Подогрев навоза в метантенке можно осуществлять через его поверхность. В этом случае теплообменник может быть встроен в наружную теплоизоляцию метантенка, метантенк может быть погружен в ванную с нагреваемой водой, а также выполнен с двойными стенками, между которыми циркулирует теплоноситель.

К недостаткам этой системы следует отнести их сравнительную сложность и связанную с этим высокую стоимость. Коэффициент полезного действия подобных систем ниже, так как теплота передается навозу только с одной стороны стенки, а с другой теряется в окружающую среду. Поэтому метантенк должен иметь теплоизоляцию с большей толщиной, что также приводит к удорожанию установки.

Подогрев содержимого метантенка можно осуществлять контактным

способом, подавая в него горячую воду или пар. Обогрев «острым» паром

прост в осуществлении, надежен в эксплуатации и не требует устройства

выносной теплообменной аппаратуры. Кроме того, инжекция обеспечивает

частичное перемешивание сбраживаемой массы. Однако обогрев острым

паром является дорогостоящим способом, поскольку требует строительства

паровых котельных. С технологической точки зрения главным недостатком

этого способа является губительное воздействие высоких температур на

11

метанобразующие бактерии в местах ввода пара в сбраживаемую массу. Кроме того, при подаче пара в метаитенк происходит значительное разбавление обрабатываемого субстрата и, как следствие, уменьшение выхода биогаза с единицы объема реактора.

Подогрев субстрата можно обеспечить при помощи внешних теплообменников. При этом способе применяется принудительная циркуляция субстрата через теплообменники. Обычно применяются пластинчатые теплообменники или теплообменники типа труба в трубе. В качестве теплоносителя используется вода, нагретая, как правило, в котлах.

Циркуляция субстрата через теплообменник обеспечивает также перемешивание обрабатываемого субстрата в метантенке. Для исключения опасности пригорания и прилипания твердых частиц субстрата к поверхностям теплообменника, скорость субстрата при температуре 60-80 °С должна быть не менее 0,8-1,5 м/с.

Рассмотрим основные типы и конструкции теплообменных аппаратов. Кожухотрубные теплообменники

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами - как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

Однако такое широкое разнообразие условий применения кожухотрубных теплообменников и их конструкций никоим образом не должно исключать поиск других, альтернативных решений, таких, как применение пластинчатых или спиральных теплообменников в тех случаях, когда их характеристики оказываются приемлемыми и их применение может привести к экономически более выгодным решениям.

Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков труб, укрепле