Методика определения параметров биогазовой установки

Расчету биогазовых установок должен предшествовать выбор технологии и конструктивного исполнения. Под этим понимаются:

-   исполнение метантенка (материал, конструкция);

-   режимы заполнения метантенка (непрерывный или переменный) и перемешивания субстрата в ментантенке;

-   выбор температуры брожения биомассы (мезофильный или термофильный процесс) и продолжительности процесса;

-   система теплоснабжения процесса брожения;

-   система сбора биогаза (газгольдер);

-   технология загрузки навоза, выгрузки шлама, очистки биогаза и т.д.

    Методика выбора биогазовой установки предполагает расчет необходимых параметров. Сначала определяют конструктивные параметры, в частности объем метантека, при заданной форме и материала реактора. Далее ожидаемый выход биогаза и энергетические показатели биогазовой установки.

    Расчет параметров биогазовой установки производится в следующей последовательности:

1. Для определения объема загружаемой биомассы и выхода биогаза важно знать количество исходного сырья. Если рассматривать отходы животноводства, необходимо определить суточный выход навоза, загружаемого в метантек:

mсут. эк = Nж mуд,кг                                    (6.1)

где Nж - количество животных; mуд - удельный выход экскрементов в сутки.

    Если навоз загружается с подстилкой, то необходимо применять поправочный коэффициент К, учитывающий органическую массу подстилки, остатки кормов и т.п.

2. Для определения объема метантека необходимо оценить долю сухого вещества (СВ) в загружаемом биомассе:

, кг                          (6.2)

где Wэкс % - влажность массы экскрементов, %.

3. Определяется необходимый объем метантека Vм и объем загружаемой массы Vпол.з. Объем метантека должен соотносится с объемом загружаемой биомассы:

- если Vпол з << Vм , то значительная часть метантенка использоваться не будет. Метантенк - наиболее капиталоемкий элемент биогазовой установки, и такой вариант будет менее эффективным.

    - если Vпол з = Vм могут возникнуть проблемы со сбором биогаза, так как пена, образующаяся в процессе брожения, будет забивать канал сбора биогаза.

Желательно, чтобы соотношение Vполз/Vм составляло 0.7...0.9.

Расчет объема метантенка можно вести следующим образом:

3.1 Находят объем метантенка:

 м3                                                   (6.3)

где nv - рекомендуемый объем загрузки СВ в сутки, кг/м3.

3.2 Полученное значение VМ необходимо согласовать с объемом полной загрузки метантенка:

, м3                                        (6.4)

где m_{сут эк} - суточная загрузка метантенка, кг/сут; tсут - продолжительность процесса брожения, сут.; rн - удельная плотность сбраживаемой массы, кг/м3 .

    Метантек можно выбрать стандартный или изготовить самим:

- если применяется стандартный метантенк, то останавливаются на ближайшем большем объеме его;

- если метантенк будет изготовляться индивидуально, то под объем Vм рассчитываются геометрические размеры. Рекомендуется выбирать метантенк цилиндрической формы. Для удобства сбора шлама и биогаза верхнюю и нижнюю части метантенка выполняют в виде усеченного конуса с горловиной в верхней части. Определяется способ перемешивания сбраживаемой массы (механическое перемешивание, барботаж).

Далее необходимо определить ожидаемый выход биогаза. Для чего рассчитывают долю сухого органического вещества.

4. Доля сухого органического вещества (СОВ) в навозе:

, кг                                (6.5)

где Рсов % - доля СОВ в сухом веществе навоза.

5. Выход биогаза при полном разложении СОВ навоза:

Vпол=nэк mсов, м³                                 (6.6)

где nэк - выход биогаза из 1 кг СОВ различного исходного материала, м3/кг.

6. Определяют объем полученного биогаза при выбранной продолжительности метанового брожения:

, м³                              (6.7)

где nт% - доля выхода биогаза от исходного материала при данной продолжительности метанового процесса, %.

По заданной массе исходного сырья определили объем метантека и ожидаемый выход биогаза. Далее определяются энергетические показатели биогазовой установки. При этом необходимо оценить полезно вырабатываемую энергию от биогаза, поскольку потребуется энергия на собственные нужды биогазовой установки.

7. Энергетические показатели биогазовой установки.

    7.1 Определяют количество теплоты, необходимое для подогрева загружаемой массы до температуры процесса брожения в сутки:

, МДж                     (6.8)

где Сс - теплоемкость субстрата, МДЖ/кг⁰K; Tпр - температура процесса брожения, ⁰К; Tзаг - температура загружаемого субстрата, ⁰К;    h - коэффициент полезного действия процесса.

    7.2 Определяют количество теплоты, теряемое субстратом в результате теплоотдачи через стенку реактора в окружающую среду за час:

Qпот = k F (Tпр-T0), Вт                             (6.9)

где k - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 ⁰К; T0- температура окружающего воздуха, ⁰К; F - площадь поверхности теплообмена метантенка, м2;

    Коэффициент теплоотдачи

,                               (6.10)

 где 1/a1 и 1/a2- термическое сопротивление теплоотдачи от субстрата к внутренней поверхности стенки метантенка и от внешней поверхности теплоизоляции метантенка к окружающей среде соотвественно;  - суммарное термическое сопротивление теплопроводности материала стенок метантенка (dст/lст) и теплоизоляции (dиз/lиз). В расчетах учитывается каждый слой в многослойной теплоизоляции.

7.3 Определяют затраты энергии на перемешивание биомассы. На основании экспериментальных данных затраты энергии на перемешивание механическими мешалками можно принять равными 30...60 Вт/м3 при режиме: 4 ч работы и 7 ч паузы.

7.4 Определяют потребную энергию на поддержание процесса брожения за сутки, по сути на собственные нужды:

Qобщ = Qпод + 24 Qпот + Qмех tраб, МДж/сут.      (6.11)

где tраб - время работы механической мешалки в сутки.

    В заключении определяется полезный выход биогаза. При этом определяется количество биогаза для продажи, за вычетом из общего объема биогаза на собственные нужды.

8. Определяют потенциальные запасы энергии биогаза, выработанного за сутки:

Qвыр=VбНб, Мдж                              (6.12)

где Нб - теплотворная способность биогаза, МДж/м3.

9. Определяют полезную энергию от биогаза:

Эб = Qвыр - Qобщ, Мдж/сутки                     (6.13)

10. Определяют коэффициент товарности биогазовой установки:

.                          (6.14)