VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Общее положение

Одной из главных проблем сегодня и в ближайшем будущем является обеспечение производства и населения достаточным количеством энергии при минимальном загрязнении окружающей среды. В настоящее время в связи с увеличением роста темпов производства возрастает количество потребляемых энергоресурсов, таких как уголь, нефть и газ, являющимися невозобновляемыми энергоресурсами.

Добыча невозобновляемых энергоресурсов ведет к ухудшению экологической обстановки, в частности за счет сопутствующих выбросов метана. Кроме того, биологические процессы разложения органических веществ, скапливающихся в процессе жизнедеятельности животных, также ведут к выделению метана. Решением этих проблем может послужить частичная замена невозобновляемых энергоресурсов биогазом.

Современные наука и техника создали оборудование и системы, позволяющие использовать процессы разложения биологических отходов более рентабельно, превращая их в биогаз.

На данный момент в России используются как крупные, так и небольшие биогазовые установки и станции. Крупнейшей и самой показательной в стране биогазовой станцией является станция «Лучки» находящаяся в Прохоровском районе Белгородской области, которая вырабатывает 29,3 млн. кВт ч электрической и 27,3 тыс.Гкал тепловой энергии, а так же 90 тыс. тонн органических удобрений в год.[3]

Так же на территории Белгородской области имеется и другая крупная биогазовая станция «Байцуры», которая вырабатывает 7,4 млн. кВт ч электрической и 3,2 тыс. Гкал тепловой энергии в год. Еще одним завершенным проектом является станция в деревни Дошино Калужской области, с выработкой 2 млн. кВт ч электрической и 2,5 тыс. Гкал тепловой энергии в год. [10]

Среди крупных, находящихся на разных стадиях строительства или проектирования можно отметить биогазовые установки и станции в Московской, Ленинградской, Липецкой, Курской, Воронежской, Кемеровской областях и других субъектах Российской федерации. [13]

Получение биогаза из органических отходов имеет следующие положительные особенности:

• осуществляется санитарная обработка сточных вод (особенно животноводческих и коммунально-бытовых), содержание органических веществ снижается до 10 раз;

• анаэробная переработка отходов животноводства, растениеводства и активного ила позволяет получать уже готовые к использованию минеральные удобрения с высоким содержанием азотной и фосфорной составляющей (в отличие от традиционных способов приготовления органических удобрений методами компостирования, при которых теряется до 30-40% азота);

• при метановом брожении высокий (80-90%) КПД превращения энергии органических веществ в биогаз;

• биогаз с высокой эффективностью может быть использован для получения тепловой и электрической энергии, а также в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания;

• биогазовые установки могут быть размещены в любом регионе страны и не требуют строительства дорогостоящих газопроводов и сложной инфраструктуры;

• биогазовые установки могут частично или полностью заменить устаревшие региональные котельные и обеспечить электроэнергией и теплом близлежащие деревни, поселки, небольшие города. [1]

Биогаз — газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы. Метановое разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. Первый вид — бактерии гидролизные, второй — кислотообразующие, третий — метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. [2]

Биогаз может быть получен в биогазовых установках (биореакторах). В качестве сырья в этой установке может использоваться как помет, так и бытовые твердые отходы органического происхождения, но так как переработка ТБО требует дополнительных затрат на сортировку и измельчение, то использование их на птицефабрике менее рационально.

Для эффективной работы всех микроорганизмов в реакторе необходимо обеспечить специальные условия.

Обязательными факторами являются:

анаэробные условия – активная работа бактерий происходит при условии отсутствия кислорода; влажность – бактерии размножаются и производят биогаз только во влажной среде; температура – оптимальным режимом для всех групп бактерий является поддержание температуры для мезофильных бактерий 30-40 , термофильных 45-57; период брожения – количество произведенного газа по мере увеличения длительности брожения увеличивается, составляет 5-18 суток. Процесс образования газа сначала происходит быстрее, а затем замедляется; кислотность среды (pH) – гидролизирующие и кислотообразующие бактерии оптимально работают при pH 4,5 – 6,3. Бактерии образующие уксусную кислоту и метан при pH 6,8 – 8. Если pH превышает оптимальные, то процессы идут медленнее, поэтому выдерживается наилучший для метанообразования уровень pH = 7; равномерная подача субстрата – продукты обмена веществ каждой группы бактерий является питательным веществом для последующей группы бактерий. Все они работают с разной скоростью, поэтому необходимо соблюдать цикличность подачи свежих отходов; размер частиц субстрата – чем меньше частица, тем короче период брожения и выше скорость метанообразования; перемешивание – необходимо для избежания появления корки и осадка, а так же для выведения выработанного газа. [9]

Расчет отопления и вентиляции

Расчет проведем для птицефабрики имеющей 50 птичников размером 20 X 90 X 3, предназначенных для выращивания 600 тыс. кур, для условий региона с температурой самой холодной пятидневки года (– 39) .

Сейчас на большинстве предприятий помет складируют, подвергает сбраживанию и высушиванию на специально отведенных открытых площадках. При этом выделяется ряд вредных газов, таких как углекислый газ и гнилостные газы, состоящие из сероводорода, аммиака, метилмеркаптана, этилмеркаптана, метана и некоторых других. Это является экологически небезопасным, и так как отходы птицефабрик относятся к III классу опасности, хранение их ведет к экономическим затратам в виде штрафа в размере 497 руб. за тонну [8].

При клеточном содержании птицы с учетом комплекса технологических факторов в установившемся производственном процессе функционирования птицефабрик поступление помета от кур взрослого стада составляет 150-160 грамм/птицу в сутки при влажности 72 %. [7]

Учитывая принятое количество поголовья суточное количество помета составит:

Примем, что концентрация метана в получаемом биогазе в средне составляет около 70%, CO­₂ – 30%, тогда

Пусть количество получаемого биогаза равно 95 [11]. Тогда, количество газа, которое может быть получено предприятием:

Примем КПД газового котла равным 92% , тогда получаемая тепловая мощность при сжигании биогаза определим по формуле:

Процесс выращивания кур состоит из 42 дней и делится на 7 периодов роста, в каждый из которых необходимо определенное количество тепла и объем подаваемого воздуха.

Таблица 1. Средняя живая масса бройлера по периодам роста

Показатель	Возраст, дн.
	1-7	8-14	15-21	22-24	25-28	29-35	35-42
Средняя живая масса, кг	0,35	0,6	0,9	1,2	1,4	1,8	2,5

Определим расход воздуха для одного птичника с 12000 кур в каждом на вентиляцию для 7 периодов роста с учетом минимальной нормы вентиляции 1,12 веса птицы [12] и постоянным изменением веса в соответствии с табл. 1:

При подаче такого количества воздуха для вентиляции более рационально будет использовать подаваемый воздух еще и для отопления.

Системы воздушного отопления имеют ряд преимуществ по сравнению с системами водяного отопления, среди которых:

•  

  1. широкие функциональные возможности (использование для отопления, вентиляции и кондиционирования);

  2. низкая стоимость;

  3. высокий срок службы;

  4. гибкость и легкость изменения параметров воздуха;

  5. высокая степень автоматизации систем.

Рассчитаем воздушную систему вентиляции и отопления по [15]

Принимаем прямоточную систему вентиляции, тогда температуру подаваемого воздуха определится по формуле:

где: максимальная теплопотребность для поддержания в помещении расчетной температур, расход воздуха для целей вентиляции, ; удельная массовая теплоемкость воздуха, ; расчетная температура воздуха внутри помещения, в зависимости от возраста бройлера,[6]

Для первого периода роста:

Для следующих периодов роста расчет аналогичен и полученные данные представлены в сводной табл. 2:

Таблица 2. Температура подаваемого воздуха по периодам

Период, дни			,
	35			65,92
	32			49,86
	29			40,79
	27			35,78
	25			32,48
	23			28,78
	20			24,12

После уточнения воздухообмена определяют теплозатраты на нагревание воздуха для прямоточной отопительно-вентиляционной системы для каждого периода роста:

где: температурой самой холодной пятидневки года в расчетном регионе (-39) .

Для первого периода роста:

Для следующих периодов роста расчет аналогичен и полученные данные представлены в сводной табл. 3:

Таблица 3. Теплозатраты на нагревание воздуха по периодам для одного птичника

Период, дни	,			Q, кВт
		1,005	104,92	157,785
			88,86	231,341
			79,79	314,684
			74,78	395,875
			71,48	444,405
			67,78	545,454
			63,12	712,712

Суммарное количество тепла необходимое для отопления и вентиляции, учитывая восьмиразовое заполнение по 42 дня и с учетом перерывов на санитарную обработку для одного птичника составит:

Количество тепла потребляемого за отопительный период составит

Экономический расчет

При средней теплоте сгорания природного газа 8800 ккал/м³ и его средней стоимости 4 руб/м³ для расчетного региона [14] получим выгоду:

млн. руб/год

Штраф за размещение отходов составляет 497 , тогда за год получим:

, млн. руб/год

Выгода от продажи биоудобрений с учетом их стоимости 0,6 руб/кг [4] и коэффициента увеличения объем из-за добавления подстилки 1,3 [5] составляет:

млн. руб/год

Таким образом, общая выгода составит 44,306 млн. руб/год.

Выводы

Производимой тепловой мощности на основе биогазовой технологии в данных условиях достаточно для отопления и вентиляции 34 птичников размером 20 X 90 X 3, предназначенных для выращивания 12000 кур в каждом, что составляет 68% от общего числа птичников, при расположении их в регионе с температурой самой холодной пятидневки года (– 39) .

Данного количества помета недостаточно для нужд отопления и вентиляции всего количества птичников, но с учетом получаемой выгоды в размере 44,206 млн. руб/год развитие данного направления возобновляемых источников энергии достаточно перспективно.

Список литературы:

1. Биогаз. [Электронный ресурс]. – URL: http://www.alternativenergy.md/biogas (дата обращения 22.01.2016).

2. Биогаз. [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Биогаз. (дата обращения 22.01.2016).

3. Биогазовая станция. [Электронный ресурс]. – URL: http://www.altenergo.su/biogas/ (дата обращения 22.01.2016)

4. Биогазовые установки. [Электронный ресурс]. – URL: http://delo7.ru/biogaz-prometej/ (дата обращения 22.01.2016)

5. Здесь не Европа. [Электронный ресурс]. – URL: agroinvestor.ru/markets/article/12168-zdes-ne-evropa/ (дата обращения 22.01.2016)

6. Микроклимат птичника. [Электронный ресурс]. – URL: ledsvet.ru/articles/mikroklimat-ptichnika (дата обращения 22.01.2016)

7. Переработка помета. [Электронный ресурс] – URL: http://www.utm-plus.ru/info-10-pererabotka-pometa.htm (дата обращения 22.01.2016)

8. Постановление Правительства РФ от 12.06.2003 N 344 (ред. от 24.12.2014) "О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, в том числе через централизованные системы водоотведения, размещение отходов производства и потребления". [Электронный ресурс]. – URL: https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_42740 (дата обращения 22.01.2016)

9. Процесс возникновения биогаза по этапам. [Электронный ресурс]. – URL: http://www.rosbiogas.ru/process-vozniknovenija-biogaza-po-jetapam.html (дата обращения 22.01.2016)

10. Развитие биогазовых технологий в РФ. [Электронный ресурс]. – URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=34309 (дата обращения 22.01.2016)

11. Расчет биореактора. [Электронный ресурс] – URL: http://www.rosbiogas.ru/ (дата обращения 22.01.2016)

12. Системы вентиляции и контроля микроклимата для бройлеров. [Электронный ресурс]. – URL: atmnn.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=57&Itemid=34 (дата обращения 22.01.2016)

13. Список размещения биогазовых объектов. [Электронный ресурс]. – URL: zorgbiogas.ru (дата обращения 22.01.2016)

14. Цены на природный газ. [Электронный ресурс]. – URL: https://www.krg42.ru/ (дата обращения 22.01.2016)

15. Шиляев. М.И. Типовые примеры расчета отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха / М.И. Шиляев, Е.М. Хромова, Ю.Н. Дорошенко. Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2012. С. 288.

Код для цитирования: Скопировать