автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка энергосберегающей электротехнологии сбраживания навоза с использованием индукционного нагрева

На правах рукописи

Вохмин Вячеслав Сергеевич

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ СБРАЖИВАНИЯ НАВОЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДУКЦИОННОГО

НАГРЕВА

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск - 2012

005017486

005017486

Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и | перерабатывающих производств» Федерального государственного бюджетного | образовательного учреждения высшего профессионального образования "Ижевская государственная сельскохозяйственная академия" (ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Касаткин Владимир Вениаминович

Официальные оппоненты:

Щеренко Александр Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Процессы, аппараты и теплотехнологии пищевых производств» ФГБОУ ВПО Московский государственный университет пищевых производств (ФГБОУ ВПО МГУПП)

Дородов Павел Владимирович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедры «Теоретической механики и сопротивления материалов» ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "МГТУ")

Защита состоится «29» марта 2012 г. в И00 часов на заседании диссертационного совета КМ 220.030.02 в ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 9, ауд. 3-201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Автореферат разослан «28»февраля 2012 г.

Ученый секретарь /Т X}

диссертационного совета Литвинюк Надежда Юрьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных вопросов, стоящих на пути прогресса в современном мире, является вопрос о развитии энергетики, базирующейся на доступе к энергетическим ресурсам.

Задача обеспечения постоянно растущих потребностей мировой и национальных экономик в энергии обусловливает необходимость развития возобновляемой энергетики и, в частности, биоэнергетики. Это также диктуется решением глобальных проблем, связанных с ограниченностью запасов ископаемых видов топлива и обеспечением экологической безопасности.

На федеральном уровне значительное развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) должна дать государственная программа "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года", утвержденная распоряжением Правительства РФ от 27 декабря 2010 г. №2446-р.

На республиканском уровне одним из перспективных разрабатываемых направлений программы "Энергоэффективность в Удмуртской Республике на 2010-2014 годы" является инновационный проект "Использование местных (альтернативньсх) видов топлива на территории УР".

Биоэнергетика несет в себе новые технологии, которые потребуют для массового внедрения в энергетический баланс новых видов топлив, серьезной политической и экономической поддержки со стороны государства. Биомасса, аккумулирующая в себе солнечную энергию в форме углеводородов растительного происхождения, служит исходным сырьем для выработки биотоплива в твердом, жидком и газообразном виде в зависимости от технологии переработки.

Теоретические вопросы, посвященные переработке отходов АПК, рассматривали в своих работах российские ученые: Лысенко В.П., Гужулев Э.П., Дубровский B.C., Бацанов И.Н., Ковалев Н.Д., Ковалев Д.А., Марченко В.И., Шрамков В.М., Зуев В.А. и др.; и зарубежные ученые: Jan Baptita Helmont, Count Alessandro Volta, Sir Humphry Davy, Anderson P.A., Baker D.N. и др.

В Ижевской ГСХА, начиная с 1995 года, на кафедре «Механизации и переработки сельскохозяйственной продукции» началось развитие одного из направлений по теме «Утилизация отходов сельскохозяйственного производства». Результатом этих исследований стали выигранные и отмеченные Министерством природных ресурсов и охраны окружающей среды Удмуртской Республики и Министерством сельского хозяйства Российской Федерации конкурсы. Поэтому введение новых энергосберегающих электротехнологий на различных этапах энаэробного сбраживания является актуальной научной задачей, решение которой видится в использовании установок поточно-циклического и непрерывного действия.

Цель работы: повышение эффективности анаэробной переработки навоза и интенсификация процесса получения биогаза как источника энергии в энергосберегающей электротехнологии.

Задачи:

- разработать энергосберегающий метод непрерывной утилизации биомасс животного и растительного происхождения с использованием энергии конвективно-индукционного нагрева;

- создать физические модели и дать математические описания процессов сбраживания непрерывного действия с конвективно-индукционным нагревом;

з

- разработать и изготовить образец биогазовой установки непрерывного действия, реализующий технологию утилизации биомассы с применением объемного конвективно-индукционного нагрева;

- обосновать эффективность разработанной технологии.

Объект исследования: трехстадийный электротехнологический процесс работы биогазовой установки.

Предмет исследования: технологические режимы работы трехстадийной биогазовой установки на основе энергосберегающей электротехнологии. Научную новизну работы составляют:

- метод нагрева биомассы на биоэнергетических установках непрерывного действия с конвектитвно-индукционным нагревом, реализующий единый циклический процесс;

- теплофизические модели частных процессов ферментации навоза на биореакторах непрерывного действия с применением конвективно-индукционного нагрева, позволяющие определять режимы и параметры технологического процесса;

- математическая модель рационализации энергоемкости частного процесса энёргопроизводства биореактора непрерьшного действия.

Практическая значимость и реализация результатов исследований:

- опытный образец лабораторной непрерывно действующей биогазовой установки с объемом реактора 40 литров, обеспечивающий эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;

- технологический процесс и аналитические зависимоста, обеспечивающие оптимизацию энергозатрат при переработке навоза за счет объединения стадий и применения индукционного нагрева;

- результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе, используются во всероссийских и зарубежных конкурсах и форумах.

Основные положения, выносимые на защиту:

- энергосберегающий метод непрерывного сбраживания навоза с использованием индукционного нагревателя;

- механизм расчета и оценки энергоемкости работы биогазовой установки;

- теплофизические модели и математическое описание процессов ферментации непрерывного действия с конвективно - индукционным нагревом;

- технология метанового сбраживания навоза с применением конвективно-индукционного нагрева;

- эффективность разработанной технологии.

Личный вклад автора. Модели, схемы, результаты численных и экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены автором лично. Выбор приоритетов, направлений, методов исследования, формирование структуры и содержания работы определены совместно с научным руководителем. Макет установки и нагревательного элемента, используемые при экспериментальных исследованиях, разработаны коллективом кафедры «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» при активном участии автора.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на научно-практических конференции в ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА «Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождения Удмуртии в состав России», Ижевск, 2008 г; в ГОУ ВПО «Магнитогорский Государственный университет

им. Г.И.Носова» на Всероссийской научно-практической конференции "Качество продукции, технологий и образования", 2010 г.; в ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» на Международной научно-технической конференции посвященной 80-летию ВИЭСХ и 100-летию со дня рождения основоположника науки по электроснабжению, электрификации и автоматизации сельского хозяйства академика И.А. Будзко «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», Москва, 2010 г.; II Евразийский Форум Молодежи «Евразия - путь на север» - Екатеринбург, 2011 г.; Всероссийский конкурс научных работ в области возобновляемых источников энергии «Стипендия BELLONA -2011» - Санкт-Петербург, 2011 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 публикаций, в том числе 4 статьи в научных журналах, рекомендуемых ВАК, одной монографии и одного патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 140 страниц, 33 рисунка, 10 таблиц и 5 приложений. Список литературы включает 215 наименований, в том числе 8 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения изложена актуальность проблемы, цель, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе «Анализ состояния вопроса утилизации биомасс животного и растительного происхождения в сельскохозяйственном производстве» на основе анализа научных и литературных источников исследуется проблема утилизации отходов животного и растительного происхождения в сельскохозяйственном производстве. Ежегодное количество органических отходов в сельскохозяйственном производстве Российской Федерации составляет 250 млн. тонн из них 150 млн. тонн приходится на животноводство и птицеводство, 100 млн. тонн на растениеводство.

Технология производства электроэнергии из биомассы на сегодняшний день является актуальным направлением переработки отходов.

Особое внимание уделяется развитию технологий получения биогаза, получающегося при утилизации отходов сельскохозяйственных производств.

Рассмотрены технологии и установки мировых и российских производителей биогазовых установок, разновидности наиболее применяемых форм реакторов сбраживания биомассы, методы и способы подогрева сырья.

Проведенный анализ позволил установить:

• актуальность переработки отходов животноводства и растениеводства с целью получения дополнительного источника энергии (высокий общий КПД (электрический и тепловой) - до 92 %, получение тепловой энергии до 1,0 МВт и электрической до 0,4МВт);

• предпочтительность представляет использования шаровидного (яйцеобразного) биореактора с точки зрения прочности, создания условий для перемещения жидкого субстрата (затрат энергии на перемешивание), отвода осадков и разрушения плавающей корки (снижение времени подогрева навоза 1,5 .. .2 раза);

• неэффективность использования одного режима сбраживания навоза с прямым видом подогрева (КПД от 65 % и ниже, повышение стоимости в 1,5... 2 раза);

• неэффективность использования внешнего подогрева с помощью теплообменника с теплопроводящими элементами на поверхности стен реактора (повышение затрат электроэнергии и времени нагрева в 2,5 раза).

Во второй главе «Теоретические и лабораторные исследования интенсивных методов сбраживания отходов с.-х. производства» предложено объединить в единый цикл три стадии метанового сбраживания с целью интенсификации и оптимизации равномерного разогрева шаровидного метантенка. На основании анализа состояния вопроса, теоретических и лабораторных исследований определяем, что непрерывный процесс переработки навоза при конвективно-индукционном нагреве включает в себя комплекс взаимосвязанных сложных механических, тештофизических и энергетических процессов: дозированная загрузка отходов, нагрев биомассы, периодическое перемешивание, дозированная выгрузка переработанного субстрата, сбор и резервирование газа, получение и распределение электроэнергии.

Для изучения этих процессов была разработана установка, состоящая из трехстадийного метантенка с индукционным нагревателем, шлангов, манометра, жидкостного манометра, счетчика электрической энергии, термодатчиков, емкости для сбора газа, отверстия для залива субстрата, сливного патрубка, емкости под перебродивший шлам. Проводились эксперименты с образцом коровьего навоза. Установка для проведения экспериментов трех стадий метанового сбраживания с конвективно-индукционным нагревом, показана на рисунке 1.

50 Гц 220У

а) экспериментальная установка: 1 - трехстадийный метантенк с конвективно - индукционным нагревателем; 2 - шланги; 3 - манометр; 4 - жидкостный манометр; 5 - счетчик электрической энергии; 6 - термодатчики; 7 - емкость для сбора газа; 8 - отверстие для залива субстрата;

9 - сливной патрубок; 10 - емкость под перебродивший шлам; б ) экспериментальный индукционный нагреватель: 1- ферромагнитная труба; 2 - электротеплоизоляционная прокладка; 3 - индукционная катушка; 4 - стержень; 5 - крышка.

Рисунок 1 - Установка для проведения экспериментальньк опытов трех стадий метанового сбраживания с конвективно-индукционным нагревом

Рассмотрено влияние конвективно-индукционого энергоподвода на процесс нагрева навоза и выход биогаза с двумя наиболее рациональными типами форм метантенка.

На рисунке 2 показана кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания с разными типами реактора.

І І з 4 S 5 " 8 9 10 11 і: 13 14 15 1S 1" 1S 19 20 21 22 23 24 Время сбраживания, сут

—Harpes навоза ----выход оиогаза - шаровидный реактор

выход оногаза - цилиндрический реактор

Рисунок 2 - Кинетика вьщеления биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания с разными типами реактора

Анализируя кривые рисунка 2 получили, что при одних и тех же температурах нагрева процесс образования биогаза более эффективнее в ректоре шаровидной формы. Также в ходе эксперимента вьмвили основные подходы к методам интенсификации процесса нагрева. Интенсификация возможна за счет равномерного объемного разогрева метантенка до 55°С и объединения трех стадий сбраживания в единый цикл позволит тепло высокотемпературной зоны использовать для нагрева субстрата предыдущих стадий, что сократит время нагрева навоза при экономии энергии на разогрев.

За критерии оптимизации работы биореактора принимаем минимизацию затрат энергии и максимальный выход биогаза. На основе теоретических и экспериментальных данньїх разрабатываем схему физической модели процесса метанового сбраживания навоза с конвективно-индукционным нагревом, которая представлена на рисунке 3.

Схема физической модели процесса непрерывного метанового сбраживания с конвективно - индукционным нагревом разработана так, что высокотемпературная (термофильная) зона находится в центральной части метантенка, при этом температура центральной зоны разогревает мезофидьную и психрофильную зоны за счет конструктивных элементов реактора, а именно сужение зоны выгрузки переработанного навоза, приводит к интенсивным теплофизическим процессам передачи тепла вновь поступающему сырью. Также разогрев биомассы осуществляется контактным нагревом через перегородки, разделяющие эти зоны, и диффузии субстрата.

В период нагрева навоза температура в центральной части биореактора увеличивается до 55 °С и поддерживается постоянной в заданном режиме, далее происходит конвективный нагрев с соседними секциями метантенка. Это распределение тепла происходит равномерно по всему объему реактора. Нагрев в пределах температур 40...55 °С осуществляется в центральной секции метантенка индукционным нагревателем с частотой тока 50 Гц, что соответствует термофильному режиму сбраживания.

Рисунок 3 - Схема физической модели процесса метанового сбраживания

Заданная температура поддерживается постоянно, для обеспечения непрерывного режима работы реактора. При поддержании заданного максимума температуры происходит постоянный теплообмен биомассы, который позволяет достичь мезофильного и психрофильного режимов сбраживания в метантенке. Теплообмену способствуют массообменный процесс при загрузке и выгрузке сырья, а также циклическое перемешивание субстрата. Мезофильный режим сбраживания происходит в средней секции метантенка, где за счет конвективного нагрева достигается температура в пределах 25...40 °С. Крайней секции реактора соответствует психрофильному режиму, где температура сбраживания находится в пределах 8.. .25°С.

Исходя из проведенных экспериментов, обосновали применение конвективно-индукционного нагрева для предлагаемой шаровидной конструкции метантенка, объединение в единый цикл (реактор) трех стадий метанового сбраживания, и выявили основные режимы сбраживания (психрофипьный при 8...25 °С, мезофильный при 25...40°С и термофильный при 40...55°С). (

В третьей главе «Теоретическое обоснование интенсификации и энергосбережения при метановом сбраживании навоза» разработаны модель расчета теплопередачи метантенка и математическая модель энергетических составляющих процесса сбраживания.

Процесс передачи теплоты субстрату, заключается в том, что энергия, подводимая к индуктору посредством электромагнитного воздействия на нагреватель, переходит в тепловую, тем самым происходит разогрев метантенка путем послойной передачи теплоты. Используя уравнение Ньютона - Рихмана определим полную теплоту передаваемую индуктором в первую 1 зону: |

0пот, = «1 ~(*инд. - Сср/) ■ Ро. (1)

где а[ - коэффициент теплоотдачи от горячей поверхности индуктора к биомассе термофильной зоны, Вт/(м2 0С); £„„<, - температура поверхности индуктора, С; 1ср, - средняя температура I зоны, °С; /70 - площадь поверхности теплоотдачи индуктора, м".

Далее, используя основное уравнение теплопередачи, определим количество

теплоты, передаваемую из более нагретой термофильной зоны через стенку в мезофильную зону.

Qi = Klitcfl - tcpn) • Fu (2)

где К - коэффициент теплопередачи от более теплой зоны к холодной зоне метшггенка (вследствие значительных размеров диаметров всех трех поверхностей метантенка, значите коэффициентов теплопередачи с достаточной степенью точности можно определить для случая плоской поверхности), который определяем следующим выражением

f=TTT. (3)

—+-Г+ —

аг Л ан

где а, - коэффициент теплоотдачи от более горячей биомассы в зоне I к теплопередающей поверхности, Вт/(м ■ С); а„ - коэффициент теплоотдачи от поверхности к нагреваемой биомассе в зоне [I, Вт/(м20С); S - толщина стенки, м; А - теплопроводность материала стенки, (Вт/м-°С); tcp, и tcp|( -средние температуры горячей и нагреваемой биомасс, °С; F, - площадь поверхности отделяющая зоны, м2.

Полное количество теплоты, генерируемой индуктором для нагрева биомассы во всех зонах метантенка с учетом потерь теплоты в окружающую среду, с уходящими субстратом и биогазом определится:

<2ПолН. = Qi + Qll + Qm + <2з + QZm"'p. + QZmep (4)

Количество теплоты, необходимое для нагрева биомассы в каждой из зон метантенка можно определить из уравнений теплового баланса зоны:

для третьей зоны <?„, = с -т- (t[[k.K,c - t„lBX); (5)

для второй зоны Qu = с-т■ (tn„,„t - t,IoJ; (6)

для первой зоны Q\ = с-т- (tleM — ti„x). (7)

потери теплоты в окружающую среду Q3 = К3 (tcplu - tm:pcp) ■ F3, (8)

где А"3 - коэффициент теплопередачп от биомассы III зоны в окружающую среду; t,„.pc)1 -средняя температура окружающей среды вокруг метантенка, °С; F-s - площадь внешней поверхности метшггенка, м-; с - удельная теплоемкость субстрата в зоне, Дж/(кгК); m - массовый расход субстрата в зоне, кг/с.

Количество теплоты, теряемой с отходами производства - субстратом и уходящим из установки биогазом можно определить из следующих уравнений:

Употер. ^субстр.вых. * ^субстр. * ^вых.из термоф. ЗОНЫ ' (9)

где тсубсгр ВЬ1Х - массовый расход выгружаемого субстрата, кг/с; С^д^-р -удельная теплоемкость субстрата, Дж/(кг-К); tBbllc из термоф зоны _ температура выгружаемого субстрагта из термофильной зоны, "С.

Фпотер. ^газа. ' ^газа ' ^газа» (Ю)

где mraM - массовый расход получаемого газа, кг/с; Сгаза - удельная теплоемкость уходящего биогаза, Дж/(кг-К); tra3a - температура уходящего биогаза, °С. Поверхность нагрева между зонами определим по формуле:

1 Ki-&tcpi ^ ^

Также определяем поверхность индуктора, чтобы она была достаточной для обеспечения величины теплоты Q,m„r

Площадь индуктора будет определяться:

F° = a'nQ"'"\ У (,2)

а1 1сикд. ср. I /

где £инд -температура поверхности индуктора, 'С.

Распределение температуры от поверхности индуктора до окружающей среды и схемы движения биомассы, и направления тепловых потоков представлено на рисунке 4.

окружающей среды и схемы движения биомассы, и направления тепловых потоков

Определив полную теплоту расходуемую на обогрев метантенка, можно рассчитать мощность индуктора, которая будет обеспечивать необходимый температурный режим для непрерывной работы установки.

Нагрев субстрата осуществляем конвективно-индукционным нагревателем со следующими параметрами.

Частоту тока принимаем 50 Гц, так как ряд особенностей заставляет выделить эту отдельно, хотя основные закономерности и методы расчета те же, что и на средних частотах. Главным преимуществом использования частоты 50 Гц являются то, что происходит снижение расхода энергии и капитальных затрат в связи с отсутствием преобразователя частоты.

Условием правильного выбора частоты при нагреве различных материалов является:

где О - диаметр нагреваемого тела, м: г„ - глубина проникновения тока в нагревательный элемент, м.

Подставив численные значения, получим:

Г^-т =2.38

Проверка показала, что применение частоты 50 Гц более целесообразно для конвективно - индукционого нагрева метантенка.

Далее определяем электрические параметры индуктора. Задача расчета -определить напряжение на индукторе ии, ток индуктора /№ число витков индуктора XV, коэффициент мощности соБфн, коэффициент полезного действия 7„, мощность, подводимую к индуктору Рц.

Напряжение на индукторе:

= I;: ■ ¿я- (14)

где 1н - ток индуктора, А; 2ц- полное сопротивление индуктора с числом витков V/, Ом. Ток индуктора:

1ц =

щукторе, А.

Число витков индуктора:

где /¿¡-ток в одновігтковом индукторе, А.

IV -

(15)

(16)

где 11ц - заданное напряжеігае на индукторе, В; - напряжение па индуктирующем проводе одиовиткового индуктора, В.

Электрический КПД индуктора:

Ян--;—'

(17)

где гн- активное сопротивление нагруженного индуктора, Ом; п- активное сопротивление пустого индуктора. Ом.

Коэффициент мощности: г

С05«Ря= ^ (18)

Мощность, подводимая к индуктору:

Рп = (19)

пи

где РП - средняя полезная мощность за время нагрева, Вт, Щг - электрический КПД индуктора.

Расчет выполняем на примере условного одновиткового индуктора. В конце расчета определяем количество витков к требуемой расчетной конструктивной поверхности индуктора и пересчитываем параметры индуктора на это количество витков.

Для расчета энергоемкости всей установки разработали математическую модель. Для этого схему физической модели установки метанового сбраживания (рисунок 3), изображаем в виде формализованного изображения процесса энергопотребления и энергопроизводства на основе которого, разрабатываем математическую модель энергоемкости, как отдельных стадий работы метантенка, так и всей установки в целом.

В формализованном изображении (таблица 1) энергопотребления энергопроизводства, показаны энергоемкости зон метанового сбраживания и энергоемкость полученного биогаза и выгружаемого субстрата. Для обеспечения работоспособности оборудования необходимо, чтобы система управления поддерживала в метантенке необходимые режимы, заданные технологическим процессом.

Предварительно биомасса получаемая животноводческими комплексами должна подготавливаться к сбраживанию, получая при этом энергоемкость Ц}.

Чу

Параллельно всему процессу

Подвод электроэнергии

Питание шкафа управления

Шкаф управления

Система управления

Контроль качества биогаза

Ч,л

Ч42

Чу>

Чч

Подготовка биомассы к сбраживанию д/

Биомасса (влажность 90...93%) сІ2

Загрузка д1

&

■СЦ

Психроф ильный

режим, перемешивание биомассы Ч4Г~\

Мезофильныи

режим, перемешивание биомассы д>г—,

ТермофильньаГ

режим, перемешивание биомассы

Выгрузка отработанной массы д7

Биогаз/ переработанная биомасса^

Подвод электроэнергии

Питание насоса

Насос

421

Подвод электроэнергии

Подвод электроэнергии

Подвод электроэнергии

Подвод электроэнергии

Подвод электро-: энергии

Питание насоса

Питание устрой-

Питание устрой-

Питание нагрева

Питание

затвора

Насос

Перемешивающее устройство

Перемешивающее устройство

Конвективно - ч с индукционный

нагрев з

да

Чи

Чп

Чи

462

Затвор

3

■В Н Я 2

Чп

Субстрат (биомасса) с энергоемкостью зафужается в метантенк. Далее масса последовательно проходит секции реактора и приобретает по завершению всех процессов энергоемкость

Математическая модель расчета энергоемкости технологии метанового сбраживания биомассы на установках непрерывного действия с конвективно -индукционным нагревом определяет общую энергоемкость работы системы метантенка (20).

Энергоемкость параметров технологического процесса есть произведение энергоемкостей энергетических параметров обеспечивающих их работу (д2г <7л)-

РА*. ■ |>зв.т • рду ■ р|,т • + р|г?) ■ (Рій" + рйт )] + Рзв;-." ■ [рд? • р°іТ ■ р5в,т • № + рщ?) ■ срі.т + р^т)] 8 1 рг^-рз^ р/іг ріи №+ Рбв2т) (р6в,г + р7в1и,х)+р1г +

Р.'Л • [Р&г Рії? ■ РІП* - (РІК + Р&Т) • (Рб°Т + Р7ВД-)1 + РЙУ [Р;8."!" ■ РЙТ ■ РДТ • (Р6°? + Р°гГ) ■ (РІ.? + Р7В,У)| 1 Рги" ■ Рзи" • Р,\Т ■ Р|ії ■ (РбВ™ + РбВ") ' (Рб8™ + Р7ЇГ) + РіВ4ЬІХ +

+д . (20)

рВых рВык рВых рВы* /"рВых . рВык\ грВмх АрВых\А рВы* ^

Ґгхі ГШ Г*И 511 1^611 + ,621 )+Г14

где (¡1 - начальная энергоемкость сырья; Р/!\ Р?ых - входная и выходная мощности і - го процесса работы реактора.

В соответствии с правилом расчета энергоемкости последовательных и параллельных звеньев определим общую энергоемкость которая дает

возможность определять энергоемкости как отдельных элементов, так и всей энергетической цепи.

Из уравнения (20) выделим элемент отвечающий за работу индукционного нагревателя в центральной (термофильной) секции метантенка:

рНх .рВх

а _ 611 621 (21)

Чи рВых.рВьи*

Адекватность математической модели энергопотребления проверенна путем сравнения дисперсий расчетных данных с экспериментальными по критерию Фишера. Экспериментальные и расчетные данные энергопотребления установки с конвективно-индукционным нагревом представлены на рисунке 5.

_____і «

?: —1 .......-f- . а * • dh . . ті.....

и

-. 1 ï

_________ і

■ ... ..........L

0 2 Ô 3 Э 4С< 50 53 ЗАПУСК "о зо 93 isû и:» РАБОТА t. >1 кк

*—nCTpfCriiKHi "К—Т(3£ . кЗт*Ч .ЖСП?рК.;екТ2ЛЬНЬГе OJS с;дгр?5лекие жерпж . кВг"ч гесретї£чесиі-:е лз-хы-

Рисунок 5 - Энергопотребление установки с конвективно-индукционным нагревом

Модель адекватна с надежностью 95%. Расчеты осуществлялись в математическом пакете программ Microsoft Excel.

В четвертой главе «Разработка технологии утилизации биомасс животного и растительного происхождения с применением биогазовых установок с конвективно-индукционным нагревом и экспериментальные исследования процесса» представлен технологический процесс метанового сбраживания навоза и обработка экспериментальных исследований метанового сбраживания при объемном конвективно-индукционном нагреве.

Технологический процесс сбраживания биомасс животного и растительного происхождения и структурная схема линии представлены на рисунке 6. Исходным сырьем, поступающим в линию, является коровий навоз.

ш

I - предприятие АПК; 2- метантенк; 3 - хранилище биогаза; 4 - энергетический преобразователь; 5 - хранилище биоудобрений Рисунок 6 - Структурная схема линии по переработке навоза

По окончании технологического процесса переработки навоза в метантенке получаем органический субстрат и биогаз. Важным условием для анаэробного сбраживания является оптимальная температура вещества в метантенке, поддержание которой обеспечивается конвективно-индукционным нагревом.

Исходя из теоретических и практических исследований выявили, что для строительства биогазовой установки будет лучше, если метантенк будет напрямую соединен с полом фермы.

Уровень пола фермы должен располагаться выше уровня емкости для подготовки сырья, тогда навоз и урина животных будут попадать в эту емкость под дейсгвием сил гравитации самостоятельно. Если узел выгрузки биогазовой установки будет расположен выше уровня ближайших полей, это будет способствовать более легкому распределению биоудобрений по этим полям.

Принцип работы трехстадийного метантенка биогазовой установки с конвективно-индукционным нагревом, представленной на рисунке 7, происходит ' следующим образом, подготовленная для сбраживания масса поступает в первую секцию 2 (психрофильную с диапазоном температур 8...25 °С) биореактора.

переработанного шлама, 7 - перемешивающие устройства; 8 - устройство конвекгивно-индукционого нагрева; 9 - манометр; 10 - блок контроля работы метантенка Рисунок 7 - Функциональная схема трехстадийного метантенка биогазовой установки с конвективно-индукционным нагревом

Перемешивание в данной камере при помощи мешалок 7 и при подаче следующей партии сырья, и осуществляется частотой 1 раз в 2 часа с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 42...55 об/мин. Затем биомасса по принципу сообщающихся сосудов перемещается во вторую 3 (мезофильную с диапазоном температур - 25...40 °С) в которой перемешивание осуществляется таким же образом как и в первой секции, и за счет собственного перемещения массы сырья; и третью 4 (термофильную с диапазоном температур - 40...55 °С) частотой перемешивания

субстрата 1 раз в час с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 51.. .60 об/мин.

Трехстадийный метантенк биогазовой установки с конвективно-индукционным нагревом состоит из реактора, систем контроля и управления. Сбраживаемая масса подогревается в центральной секции устройством конвективно-индукционного нагрева до температуры 40...55 °С, послойной передачи теплоты субстрату и конструктивного исполнения секции, позволяющая отдавать тепло выгружаемого субстрата вновь поступающему сырью, температура процесса контролируется термодатчиками нижнего и верхнего уровня блока контроля работы метантенка 10. Перемешивание происходит периодически 2...3 раза в сутки при помощи перемешивающих устройств 7. Выделяющийся биогаз, собирают и хранят в резервуар низкого давления. Получившийся в процессе сбраживания шлам поступает для дальнейшей переработки. Реактор сконструирован так, что идет непрерывный процесс газообразования, так как присутствуют все стадии анаэробной переработки навоза.

Разработав функциональную схему автоматизации установки были построены временные диаграммы работы разработанной установки с конвективно -индукционным нагревом (рисунок 8).

насосы

і 6 В Ю І2 я индукционный нагрев I 1 16 /в І і 1 а 20 Л> І | 2І П/Г

2 С і ! 1С 12 К № № пврсмешидающие устройства 2й те я /не 1.20

Рисунок 8 - Временные диаграммы работы установки с конвективно -индукционным нагревом

Для реализации процесса сбраживания навоза, согласно схемы на рисунке 7, был изготовлен опытный образец установки непрерывного действия объемом реактора 1,0 м3.

Установка для получения биогаза непрерывного действия с конвективно-индукционным нагревом состоит из реактора, который разделен на три секции. Загрузка и выгрузка осуществляется при помощи насосов. Переход биомассы из секции в секцию происходит по принципу сообщающих сосудов. Получаемый в процессе метанового сбраживания биогаз, поступает в емкость для сбора газа. Количество выделяемого газа контролируется газовым счетчиком.

На данной экспериментальной установке с реактором шаровидной формы проверена и подтверждена возможность объединения психрофильного, мезофильного и термофильного режимов метанового сбраживания в единый трехстадийный цикл.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Время сбраживания , сут —»—кривая нагрева индукционного нагрева —выход биогаза при индукционном нагреве Рисунок 9 - Кинетика получения биогаза в едином цикле сбраживания при конвективно - индукционном нагреве

Результаты экспериментальных исследований метанового сбраживания при конвективно-индукционном нагреве коровьим навозом, показали, что процесс сбраживания биомассы происходит интенсивнее по всему объему метантенка, за счет мгновенного нагрева поверхности нагревателя (рисунок 9).

В пятой главе «Технико-экономические показатели и экономическая эффективность разработанных методов, установок и технологий» показана технико-экономическая оценка проведенных мероприятий, на основе методики расчета экономической эффективности, разработанный во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства.

Результаты основных технико-экономических показателей биогазовой установки с конвективно-индукционным нагревом представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Основные технико-экономические показатели выхода биогаза в биогазовой установке при конвективно-индукционном нагреве

Показатели Конвективно-индукционный нагрев

Капитальные вложения, руб. 3 111 ООО

Годовые издержки, руб. 697 020

Стоимость произведенного биогаза, руб. 1 452 500

Срок окупаемости, год 4,1

Годовой экономический эффекг, руб. 755 480

Вьгход биогаза, тыс. м /год 415

Проведенные мероприятия дают годовой экономический эффект 755 480 руб. Срок окупаемости биогазовой установки около пяти лет.

ВЫВОДЫ

1. Предложена энергосберегающая технология метанового сбраживания навоза позволяющая наиболее полно использовать энергетический и питательный потенциал исходного сырья, может быть перспективна для получения новых продуктов

функционального назначения и кормов, конкурентоспособных на отечественном рынке (подана заявка на патент).

2. Разработана конструкция биореактора (патент № 2404240 РФ), позволяющая рационально организовать энергообеспечение технологического процесса сбраживания за счет непосредственного высокоскоростного преобразования электрической энергии в тепловую и значительного снижения тепловых потерь, используя трехзонную стадийность конвективно - индукционно нагрева биомассы (подана дополнительная заявка на патент).

3. Предложены теплофизические и математические модели технологического процесса сбраживания, позволяющие производить расчеты его режимов по заданным количественным и качественным показателям перерабатываемого сырья и конструктивные параметры оборудования для заданной производительности биогаза.

4. Разработана экспериментальная биогазовоая установка метанового сбраживания непрерывного действия, на которой реализован стадийный подвод энергии разных видов и экспериментально установлены рациональные энергетические параметры:

• психрофильное сбраживание (первая стадия) при температуре 8...25°С, обеспечиваемое за счет: загрузки исходного сырья с температурой 0..Л0°С, конвективного и контактного нагрева от материала следующей стадии и перемешивания (частотой I раз в час с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 42... 55 об/мин);

• мезофильное сбраживание (вторая стадия) при температуре 25.. .40°С, обеспечиваемое за счет: поступления сырья из зоны первого периода сбраживания с температурой 20...25°С, конвективного и контактного нагрева от материала следующей стадии и перемешивания таким же образом как и в первой зоне, и за счет собственного перемещения массы сырья;

• термофильное сбраживание (третья стадия) при температуре 40...55°С, обеспечиваемое за счет: поступления сырья из зоны второго периода сбраживания с температурой 25...40°С, объемного конвективно-индукционного и контактного нагрева от источника индукционного нагревателя и перемешивания.

• в качестве нагревательного элемента в центральной секции применение индукционного нагревателя с частотой рабочего тока 50 Гц.

5. В работе получены режимы организации технологического процесса сбраживания, обеспечивающие минимальную энергоемкость, которые использованы при выполнении Государственного контракта № 1664/13 от 11.11.2008 г. с Министерством сельского хозяйства Российской Федерации.

6. Экономический эффект от применения конвективно-индукционного нагрева в биогазовой установке за счет мер по энергосбережению составит 755 480 руб. при сроке окупаемости установки около пяти лет.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Журналы, указанные в перечне ВАК:

1. Савушкин, A.B. Альтернативное топливо в сельском хозяйстве /АВ.Савушкин, B.C. Вохмин, КВ. Решетникова //Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. - №4. - С37-38.

2. Вохмин, B.C. Исследование конвективно - индукционного нагрева при анаэробном сбраживании отходов животноводческих ферм / B.C. Вохмин // Полигематический сетевой

электронный журнал научный журнал Кубанского аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2011. - №06(70). С. 35 - 47. - Режим доступа: httpy/ej-kubagroju^Ol l/06/pd(704.pdf

3. Вохмин, B.C. Применение технологии анаэробной переработки отходов АПК в России / B.C. Вохмин, MB. Кошкин, СВ. Петров, A.C. ЛинкевичУ Полигематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2011. -№09(73). С. 193 - 202. -Режим доступа: hUp://ej.laibagro.nV201 l/09/pdffl 7.pdf

4. Вохмин, B.C. Разработка технологической линии утилизации биомасс животного и растительного происхождения / B.C. Вохмин, A.C. Линкевич, ВВ. Касаткин, НЮ. Литвинкж // Полигематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2011.-№09(73). С. 320 -329.-Режим доступа: htta//ej.laibamxni£0l l/09/pdf73Q.pdf

Другие падания:

5. Решетникова, ИВ. Биогаз и установки по использованию биогаза для предприятий АПК / ИВРешетникова, М.Л. Валиулин, MB. Кошкин, B.C. Вохмин //Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - легию вхождению Удмуртии в состав России. Всероссийская научно-практическая конференция, 26-29 февраля 2008г. ФГОУ ВПО ИжГСХА. - Ижевск: Изд-во ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2008. - T.IV.-C.188-195.

6. Вохмин, B.C. Разработка сгруюурной схемы линии получения биотоплива / Качество продукции, технологий и образования. Материалы V Всероссийской научно-практической конференции// Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г. К Носова», 2010,- С. 185-187.

7. Вохмин, B.C. Интенсификация и энергосбережение при метановом сбраживании навоза / B.C. Вохмин, И.В. Решетникова, P.P. Якупов, С.В. Петров // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 7-й Международной научно-технической конференции. Часть 4M: ГНУ ВЮСХ, 2010,- С. 325-329.

8. Петров, С.В. Интенсификация переработки навоза с применением диэлектрического нагрева /С.В. Петров, B.C. Вохмин, И.В. Решетникова'/ Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 7-й Международной научно-технической конференции. Часть 4УМ.: ГНУ ВЮСХ, 2010,- С. 335-338.

9. Вахрушев, CA. Разработка установки для переработки отходов сельхозпроюводстеа с подогревом /С.А Вахрушев, НЮ. Литвинкж, И.В.Решетникова, B.C. Вохмин// Инновационному развитию АПК - научное обеспечение. Труды международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию Пермской ГСХА имени академика Д.Н Прянишникова. Часть 1УПермь: Изд-во ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2010,- С. 182-185.

10. Касаткин, ВВ. Технология переработки помета /В.В. Касаткин, CA Вахрушев, НЮ. Лигеинюк, А.И. Евсеев, B.C. Вохмин// Инновационному развитию АПК - научное обеспечение Труды международной научно-практической конференции, посвященной 80-легию Пермской ГСХА имени академика ДН. Прянишникова Часть 1 ./Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2010,- С. 207-211.

11. Решетникова, ИВ. Разработка энергосберегающей электротехнологии сбраживания навоза с использованием объемного СВЧ - нагрева / ИВ. Решетникова, ВВ. Касаткин, СВ. Петров, B.C. Вохмин'/Монография—Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2010.- 119с.

12. Пат. № 2404240 Российская Федерация, МПК С12М1/107. Биогазовая установка / С.В. Свалова, ФМ. Бурлакова, В.В. Касаткин, С. П. Игнатьев, И. В. Решетникова, MB, Кошкин, B.C. Вохмин.; заявитель и пата ггообладатель ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА. - № 2404240/10; заявлено 02.032009; опубл. 20.11.2010, Бюл. № 35.-12 с.

Сдано в производство 24.02.2012 г. Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60x84 "i6. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 4384. Изд-во ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 426069, Удмуртская республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 11

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ»

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ СБРАЖИВАНИЯ НАВОЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в

сельском хозяйстве

61 12-5/2244

На правах рукописи

ВОХМИН ВЯЧЕСЛАВ СЕРГЕЕВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В.В. Касаткин

ИЖЕВСК-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ.................................... 5

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 9

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА УТИЛИЗАЦИИ БИОМАСС ЖИВОТНОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ............................. 13

1.1 Проблема утилизации органических отходов сельскохозяйственных предприятий.............................................................................. 13

1.2 Анализ теоретических и экспериментальных данных по интенсификации процесса метанового сбраживания............................ 15

1.2.1 Оценка мирового опыта использования биогазовых установок....... 15

1.2.2 Формы реакторов применяемые в биогазовых установках............. 22

1.2.3 Влияние температуры на процесс анаэробного сбраживания........... 26

1.2.4 Оптимальные тепловые режимы.............................................. 27

1.2.5 Элементы нагрева для поддержания заданного теплового режима в биореакторе............................................................................... 32

1.3 Выводы и задачи исследований.................................................. 34

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНТЕНСИВНЫХ МЕТОДОВ СБРАЖИВАНИЯ ОТХОДОВ С.-Х. ПРОИЗВОДСТВА....................................................................... 36

2.1 Теоретическое обоснование объединения трех стадий метанового сбраживания в единый цикл (реактор) с применением объемного разогрева.................................................................................. 36

2.2 Объемный конвективно - индукционный нагрев для интенсификации процесса сбраживания................................................................................ 37

2.2.1 Использование индукционной энергии для нагрева навоза............ 37

2.2.2 Поверхностный эффект индукционной энергии нагрева................ 38

2.2.3 Глубина проникновения тока индукционной энергии нагрева......... 39

2.3 Лабораторная установка для исследования анаэробного сбраживания навоза....................................................................................... 42

2.4 Лабораторные исследования метанового сбраживания при

конвективно-индукционном нагреве................................................ 44

2.4.1 Определение Стадий анаэробного сбраживания в едином цикле реактора.................................................................................... 51

2.5 Схема непрерывной переработки навоза методом метанового сбраживания.............................................................................. 52

2.6 Выводы по главе..................................................................... 54

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ МЕТАНОВОМ СБРАЖИВАНИИ НАВОЗА......................................................................................................................................................................56

3.1 Разработка математических моделей энергетических составляющих нагрева отходов с конвективно - индукционным нагревом........................................56

3.1.1 Конвективный нагрев в метантенке.................. ................................................56

3.1.2 Конвективно-индукционный нагрев в метантенке................................................61

3.1.2.1 Модель расчета теплопередачи метантенка................................................................................61

3.2 Выбор частоты тока конвективно-индукционого нагрева....................................69

3.3 Определение мощности и размеров индуктора.............. ................................72

3.4 Электрический расчет индуктора................................................................................................73

3.5 Удельная поверхностная мощность конвективно-индукционого нагрева.....................................................................................................................................................77

3.6 Определение к.п.д. индукционного нагрева......................................................................78

3.7 Определение коэффициента мощности индуктора............ ...............79

3.8 Модель процесса утилизации навоза с целью энергосбережения............80

3.9 Модель расчета энергоемкости метантенка......................................................................83

3.9.1 Формализованное изображение процесса энергопотребления и энергопроизводства при метановом сбраживании............................................................83

3.9.2 Математическая модель энергоемкости технологии метанового сбраживания навоза............................. ..................................................................................85

3.10 Выводы по главе............................ ............................................................................92

4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ БИОМАСС ЖИВОТНОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК С КОНВЕКТИВНО-ИНДУКЦИОННЫМ НАГРЕВОМ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА........................................................................................................93

4.1 Разработка технологического процесса метанового сбраживания..............93

4.1.1 Выбор места строительства биогазовой установки..............................................93

4.1.2 Структурная схема линии получения биогаза............................................................96

4.1.3 Выбор конструкции биогазовой установки............... ......................................98

4.2 Технологический процесс работы метантенка................................................................101

4.3 Результаты и обработка экспериментальных исследований

метанового сбраживания с конвективно-индукционным нагревом......................106

4.3.1 Математическая обработка результатов экспериментальных

исследований..................................................................................................................................................Ш

4.4 Выводы по главе..........................................................................................................................................114

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТАННЫХ

МЕТОДОВ, УСТАНОВОК И ТЕХНОЛОГИЙ........................................................................115

5.1 Технико-экономические показатели технологии метанового сбраживания при конвективно-индукционном нагреве..............................................115

5.2 Выводы по главе..........................................................................................................................................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................120

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...................................122

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ А... :.................................................................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ Б................................................................................................................................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ В................................................................................................................................................156

ПРИЛОЖЕНИЕ Г.....................................................................................................................................158

ПРИЛОЖЕНИЕ Д................................................................................................................................................159

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ 1. Обозначения:

Е - напряженность электрического поля, В/см; f - частота излучающего генератора, Гц; е - относительная диэлектрическая проницаемость; N - мощность, Вт; и - электрическое напряжение, В; I - электрический ток, А; г| - коэффициент полезного действия (КПД); Фт - амплитудное значение магнитного потока, Вб; р - удельное электрическое сопротивление материала проводника, Ом м;

со - круговая частота, характеризует электромагнитное поле, Гц; га - глубина проникновения тока в нагревательный элемент, м. магнитная проницаемость вакуума, Гн/м\

а[ - коэффициент теплоотдачи от горячей поверхности индуктора к

2 0

биомассе термофильной зоны, Вт/(м ■ С);

£инд ~ температура поверхности индуктора, °С; Ьср1 - средняя температура I секции, °С;

г- 2

И0 - площадь поверхности теплоотдачи индуктора, м .

ах - коэффициент теплоотдачи со стороны греющей биомассы

2 0

термофильной зоны I, Вт/(м С);

а2 - коэффициент теплоотдачи со стороны нагреваемой биомассы, мезофильной зоны II, Вт/(м С); 8 - толщина стенки, м;

Я - теплопроводность материала стенки, (Вт/м-°С); £фП - средняя температура биомассы во II зоне, °С;

л

^ - площадь поверхности отделяющая I и II зоны, м ;

Кг - коэффициент теплопередачи от I зоны ко II зоне метантенка, Вт/(м2-°К);

К2 - коэффициент теплопередачи III секции метантенка, определяем

1 2 0 аналогичным образом как и во второй секции, Вт/(м • К);

К3 - коэффициент теплопередачи от биомассы III зоны в окружающую среду, Вт/(м2-°К);

tcpUl - средняя температура биомассы в III зоне, °С;

F2 - площадь поверхности, разделяющая II и III зоны, м ;

£окр.ср. - средняя температура окружающей среды вокруг метантенка,

Fv/ 2

з - площадь внешней поверхности метантенка, м .

Qt - количество теплоты, передаваемое из термофильной зоны I через стенку в мезофильную зону II, Вт;

Q2 - теплота, передаваемая из зоны II в зону III определяется из следующего уравнения, Вт;

Qз - потери теплоты в окружающую среду , Вт;

QI; Qu, Qm - количество теплоты, необходимое для нагрева биомассы в каждой из термофильной, мезофильной и психрофильной зон, Дж;

¿вх/,вх//,вхш " температуры на входе зон сбраживания,°С;

£вых/,вых//,выхш " температуры на выходе зон сбраживания,°С;

tcmQ,cm2,cmA ~ температура на внутренней поверхности стенки зон сбраживания,°С;

tcmi,cm3,cm5 ~ температура на внешней поверхности стенки зон сбраживания,°С;

t0/cl, Ьж2 ЬжЪ - температура термофильной, мезофильной и психрофильной зон сбраживания,°С;

аг - коэффициент теплоотдачи от греющей поверхности зоны, Вт/(м2-°С);

ан - коэффициент теплоотдачи к нагреваемой поверхности зоны, Вт/(м2'°С);

р - плотность биомассы, кг/м3; /- площадь поперечного сечения канала зоны,м2;

d1, d2 - диаметры внутренней и внешней поверхности канала.

2

v - кинетическая вязкость, м/с. q - плотность теплового потока, Вт / м ;

Эпот.ш - потери теплопередачи между секциями метантенка, Дж; Ц - стоимость 1 кВт-ч электрической энергии, руб./кВт • ч; с - теплоемкость, кДж/(кг -°С);

Aícpb Aícpii, AícpIii - среднеарифметическое значение температурного напора зон сбраживания, °С;

cos ср - коэффициент мощности;

2. Индексы: V - объем;

полн. - полная теплота вх - на входе; вых - на выходе; ст. - стенка;

г - греющая поверхность;

н - нагреваемая поверхность;

ки - конвективно - индукционный нагрев (КИ);

окр. ср. - окружающая среда;

субстр,- субстрат;

инд.- индуктор;

потер. - потери;

отход. — отходы;

термоф. - термофильный.

3. Сокращения

РФ - Российская Федерация;

ВИЭ - возобновляемые источники энергии;

КРС - крупно рогатый скот;

ИБГУ - индивидуальная биогазовая установка;

С.-Х. - сельское хозяйство;

ЭДС - электродвижущая сила;

АВТ - автоматический;

АПК - агропромышленный комплекс;

МКО - метод конечных отношений;

КПД - коэффициент полезного действия;

ВОБ - время оборота биореактора;

СОВ - сухое органическое вещество;

СВ - сухое вещество;

Д - доза загрузки биореактора;

СНиП - санитарные нормы и правила;

ВИН - вихревой индукционный нагреватель.

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных вопросом, стоящим на пути прогресса в современном мире, является вопрос о развитии энергетики, базирующейся на доступе к энергетическим ресурсам.

Задача обеспечения постоянно растущих потребностей мировой и национальных экономик в энергии обусловливает необходимость развития возобновляемой энергетики и, в частности, биоэнергетики. Это также диктуется решением глобальных проблем, связанных с ограниченностью запасов ископаемых видов топлива и обеспечением экологической безопасности — выполнение принятых обязательств в рамках Киотского протокола.

Биоэнергетика несет в себе новые технологии, которые потребуют для массового внедрения в энергетический баланс новых видов топлив, серьезной политической и экономической поддержки со стороны государства. Биомасса, аккумулирующая в себе солнечную энергию в форме углеводородов растительного происхождения, служит исходным сырьем для выработки биотоплива в твердом, жидком и газообразном виде в зависимости от технологии переработки.

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 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 навоза и навозных стоков является их анаэробное сбраживание, которое обеспечивает обезвреживание навоза и сохранение его как удобрения при одновременном получении биогаза[116].

Россия обладает крупнейшими запасами невозобновляемых источников энергии и в 2006 г. вышла на первое место в мире по добыче нефти, но

хватит ее лишь на ближайшие 30 - 40 лет. В то же время имеющийся ресурсный потенциал биомассы России практически неисчерпаем.

В Ижевской ГСХА, начиная с 1995 года, на кафедре «Механизации и переработки сельскохозяйственной продукции» началось развитие одного из направлений по теме «Утилизация отходов сельскохозяйственного производства». С 2004 года это направление продолжил доцент Игнатьев Сергей Петрович. В составе творческой группы также работали Свалова М. В. и Решетникова И. В.. Результатом этих исследований стали выигранные и отмеченные Министерством природных ресурсов и охраны окружающей среды Удмуртской Республики и Министерством сельского хозяйства Российской Федерации конкурсы. Поэтому можно говорить об актуальности выбранного направления исследования.

Повышение эффективности утилизации отходов и интенсификация получения биогаза как источника энергии на основе энергосберегающих электротехнологий является актуальной задачей переработки сельскохозяйственных отходов с получением биогаза, что составляет научную проблему.

Поставленная - цель - повышение эффективности анаэробной переработки навоза и интенсификация процесса получения биогаза как источника энергии в энергосберегающей электротехнологии.

Объект исследования: трехстадийный электротехнологический процесс работы биогазовой установки.

Предмет исследования: технологические режимы работы трехстадийной биогазовой установки на основе энергосберегающей электротехнологии.

Научную новизну работы составляют: - метод нагрева биомассы на биоэнергетических установках непрерывного действия с конвектитвно-индукционным нагревом, реализующий единый циклический процесс;

- теплофизические модели частных процессов ферментации навоза на биореакторах непрерывного действия с применением ковективно-индукционного нагрева, позволяющие определять режимы и параметры технологического процесса;

- математическая модель рационализации энергоемкости частного процесса энергопроизводства биореактора непрерывного действия.

Практическую значимость работы представляют:

- опытный образец лабораторной непрерывно действующей биогазовой установки с объемом реактора 40 литров, обеспечивающий эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;

- технологический процесс и аналитические зависимости, обеспечивающие оптимизацию энергозатрат при переработке навоза за счет объединения стадий и применения индукционного нагрева;

- результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе, используются во всероссийских и зарубежных конкурсах и форумах.

Апробация работы:

Основные положения работы доложены на научно-практических

конференции в ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА «Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождения Удмуртии в состав России», Ижевск, 2008г; в ГОУ ВПО «Магнитогорский Государственный университет им. Г.И.Носова» на Всероссийской научно-практической конференции "Качество продукции, технологий и образования", 2010 г.; в ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» на Международной научно-технической конференции посвященной 80-летию ВИЭСХ и 100-летию со дня рождения основоположника науки по электроснабжению, электрификации и автоматизации сельского хозяйства академика И.А. Будзко «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», Москва, 2010 г.; II Евразийский Форум Молодежи «Евразия - путь на север» -Екатеринбург, 2011 г.; Всероссийский конкурс научных работ в области

возобновляемых источников энергии «Стипендия ВЕЬЬСЖА - 2011» -Санкт-Петербург, 2011 г.

По материалам исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 статьи в научных журналах, рекомендуемых ВАК, одного патента РФ на изобретение и монографии.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА УТИЛИЗАЦИИ БИОМАСС ЖИВОТНОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

1.1 Проблема утилизации органических отходов сельскохозяйственных предприятий

Ежегодное количество органических отходов в сельскохозяйственном производстве Российской Федерации составляет 250 млн. тонн из них 150 млн. тонн приходится животноводство и птицеводство, 100 млн. тонн на растениеводство. Технологии утилизации отходов животноводства существует тысячи лет. Концентрация огромного количества сельскохозяйственных животных и птицы на ограниченных