Пример расчета параметров  биогазовой установки

Расчет биогазовой установки производим на примере фермерского хозяйства в условиях Челябинской области. В хозяйстве содержатся 20 дойных коров, 15 телят в возрасте до шести месяцев и 5 нетели в возрасте до 18 месяцев.

Вопросы автоматизации, конструктивных решений загрузки навоза, выгрузки шлама и исполнения газгольдера в примере не рассматриваются. Биогаз частично используется на собственные нужды биогазовой установки, остальное для теплоснабжения хозяйства.

    При расчете биогазовой установки рассматривается мезофильное брожение с температурой процесса 33°С, продолжительность процесса 15 суток. Загрузка навоза непрерывная с ежедневной заменой 1/15 сбраживаемой массы.

Метантенк цилиндрический, верхняя и нижняя части в виде усеченных конусов. В качестве материала используется бетон с толщиной стенок метантека 0.15 м, Теплоизоляция выполнена из шлака (шлакоблок и шлаковая засыпка) толщиной 0,8 м и предусмотрен земляной вал (1 м).

Сбраживаемая масса до температуры процесса нагревается за счет водяных теплообменников. Перемешивание массы механическое за счет электрического привода.

Производим расчет, согласно приведенной методики.

1. Суточный выход экскрементов:

mсут эк=Nкорmуд. кор+Nтелmуд.тел +Nнетmуд.нет

mсут эк=20^.45 + 15^.10 + 5^.27 = 1185 кг.

В зависимости от условий содержания животных в навоз попадают вода, остатки корма, подстилка и т.д. Анализ состава навоза с животноводческих ферм показал, что в нем в весовой доле от экскрементов может быть: технической воды от 20 до 100%, подстилки от 12 до 18%, остатков корма от 8 до 12% и прочие до 10%.

Тогда принимая поправочный коэффициент К=1,5, можно пересчитать ожидаемый выход навозной массы

mсут эк = 1185^.1,5 = 1777 кг.

При точном расчете необходимо определять долю каждого компонента, так как от их общей массы зависят затраты на подогрев; остатки корма и подстилка влияют на суммарное содержание сухого органического вещества, а от количества воды напрямую зависит влажность всей смеси.

2. Определяется масса сухого вещества по выражению

.

При 80% влажности биомассы

.

3. Определяется объем метантенка как

 м3.

Согласно рекомендуемой ежесуточной загрузки (см. табл.6.5).

Проверим соответствие объема метантенка к полной загрузке:

Удельную плотность навоза можно считать равной удельной плотности воды, так как влажность навоза обычно более 80%.

м³.

    Полученное соотношение Vпол.з/Vм = 0.45 и не соответствует рекомендуемым (0.7...0.9).

Для повышения загрузки метантека предлагается выбрать его объем с повышением ежесуточной загрузки сухого вещества до 10 кг/м³.

Тогда окончательно выбираем объем метантека

. 

и Vпол.з/Vм = 0.77 удовлетворяет требования загрузки метантека.

    Далее рассчитываем ожидаемый выход биогаза.

4. Определяем долю сухого органического вещества (СОВ)

.

Согласно данным табл. 6.3, Р_сов = 77-85%.

5. Определяем выход биогаза при полном разложении СОВ   навоза:

Vпол=nэк mсов, м³.

Согласно данным табл. 6.6 примем n_эк = 0,315 м³/кг.

Тогда ожидаемый выход биогаза составляет

Vпол = 0,315^.285 = 90 м³.

6. Определяется действительный объем биогаза при выбранной продолжительности метанового брожения:

, м³

Согласно данным табл. 6.6 примем n_t = 30%.

Значит действительный выход биогаза

.

7.   Определяются энергетические показатели биогазовой установки.

7.1 Определяем тепловую энергию, необходимую для подогрева загружаемой массы до температуры процесса брожения в сутки:

Температура загружаемой массы зависит от способа загрузки навоза в метантенк: если масса поступает непосредственно из животноводческого помещения, то температура ее будет такой же, как внутри помещения; если массу берут из навозохранилища, то ее температура зависит от температуры наружного воздуха.

Примем Tзаг=288°К, а теплоемкость навоза 4.18^.10-3 МДж/кг°К. Тогда

МДж.

7.2 Определяется количество теплоты, теряемое субстратом в результате теплоотдачи через стенку реактора в окружающую среду

Qпот = k F (Tпр-T0), Вт.

Исходя из материала метантека и условий теплоизоляции

Вт/м^{2 0}К

Для точного расчета площади поверхности метантенка нужно знать все его геометрические размеры. Для упрощенного расчета будем считать, что площадь наружной поверхности метантенка равна 26 м2 (метантенк цилиндрической формы, верхняя и нижняя части выполнены в виде усеченного конуса).

Тогда при средней температуре в самый холодный период года равной 253⁰К

Qпот =0,5^.26^.(306-253) = 690 Вт,

а в теплое время года

Qпот =0,5^.26^.(306-288) = 235 Вт,

Потери тепловой энергии за сутки:

зимой - Qпот = 690^.24^.3,6^.10^-3 = 60 МДж;

летом - Qпот = 235^.24^.3,6^.10^-3 = 20МДж.

Для приближенных расчетов тепловые потери за сутки примем равной среднеарифметическому значению этих величин:

Qпот = (60+20)/2 = 40 МДж/ сутки.

7.3 Определяем затраты энергии на перемешивание биомассы.

Потребляемую электроэнергию на механическое перемешивание сбраживаемой массы принимаем исходя из нагрузки на мешалки 30 Вт/м³ при суммарной продолжительности работы в сутки 8 ч:

Qмех=0.05^.8^.35 = 14 квт^.ч/сутки » 50 Мдж/сутки.

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

Qобщ = Qпод + Qпот + Qмех = 190 + 40 +50 = 280 МДж/сут.       

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

Qвыр=VбНб = 27^.22 =594 МДж.

9. Определяют полезную энергию от биогаза:

Эб = Qвыр - Qобщ = 594 – 280 = 314 Мдж/сутки.                   

10. Определяют коэффициент товарности биогазовой установки:

.                 

Результаты расчета показывает, что при переработке исходного сырья, навоза КРС с ежесуточным выходом 1777 кг, в  биогазовой установке с объемом метантека 35 м³ можно получить биогаз в объеме 27 м³ в сутки или 594 МДж энергии при его преобразовании. При этом 47% биогаза может быть израсходован на собственные нужды, а 53% на внутрихозяйственные нужды: для отопления и горячего водоснабжения.

В целом расчеты показывает на возможность использования биогазовых установок в условиях Южного Урала. При этом ежесуточно вырабатывается около 90 Вт^.ч энергии с одного кг биомассы.