Проект переработки навоза в биогазовой установке в ТОО Шеминовка

Есть несколько видов анаэробных бактерий, каждый из которых максимально эффективно работает при определенной температуре. В связи с этим различают различные температурные режимы брожения. На практике используются два режима: мезофильный (30-40°C) и термофильный (51-55°C).

В термофильном режиме реакция идет в два раза быстрее, и соответственно в два раза быстрее выделяется биогаз. Также термофильный режим имеет преимущества с точки зрения экологии, поскольку в этом режиме уничтожаются почти полностью все болезнетворные микроорганизмы. Но термофильный режим требует больших энергозатрат на поддержание необходимой температуры реакции, а также большей точности поддержания температуры. Кроме того, качество биоудобрений в этом режиме получается хуже, чем в мезофильном.

Мезофильный режим предъявляет менее строгие требования к точности поддержания температуры, но не всегда может подходить с точки зрения экологии. 
Если нас интересуют прежде всего биоудобрения, то мезофильный режим – это безальтернативный выбор.

Если необходимо существенно сэкономить на стоимости биогазовой установки, то подходит термофильный режим. Ведь установка, работающая в термофильном режиме имеет в два раза большую пропускную способность, и, соответственно, может быть уменьшена в два раза по сравнению с установкой, работающей в мезофильном режиме, при переработке того же количества сырья.

При переработке сырья в анаэробных условиях получается смесь газов — метана и углекислоты, которые образуются в результате разложения сложных субстратов при участии смешанной популяции микроорганизмов разных видов. Поскольку искомый продукт — это газ, сбор его не составляет труда: он просто выделяется в виде пузырьков. Впрочем, иногда при более сложных способах его использования или распределения по трубам возникает необходимость в очистке от примесей или в компрессии............................................ 
Неочищенный биогаз обычно используют для приготовления пищи и освещения. Его можно применять как топливо в стационарных установках, вырабатывающих электроэнергию. Сжатый газ в баллонах пригоден как горючее для машин и тракторов. Его можно подавать в газораспределительную сеть. В последнем случае требуется некоторая очистка биогаза: осушка, удаление углекислоты и сероводорода. Очищенный биогаз ничем не отличается от метана из других источников, т. е. природного газа или же SNG (синтетический газ, получаемый из угля или водородсодержащего сырья).

Качество биогаза определяется в первую очередь содержанием метана либо соотношением горючего метана (CЧАС4) к „бесполезной" двуокиси углерода (C02). Двуокись углерода разбавляет биогаз и вызывает потери при его хранении. Поэтому важно стремиться к высокому содержанию метана и как можно низкому содержанию двуокиси углерода. Достигаемое обычно содержание метана колеблется между 50 и 75%.

   Содержание метана в биогазе в первую очередь определяется следующими критериями:

• Ведение процесса: в то время как в одноступенчатых биогазовых установка весь процесс анаэробного разложения происходит в одном ферментаторе, одним этапом, и таким образом весь газ выделяется как смесь газов, в двухступенчатых установках, выработанный на первом этапе газ, состоит в большой степени из двуокиси углерода и других энергетически малоценных газов, выводящихся в окружающую среду. Вырабатываемый на втором этапе газ имеет высокий процент содержания метана, который может составлять и более 80%.
• Состав питательных веществ субстрата. Количество и качество произведенного биогаза зависит от количества внесенных веществ и их состава. Протеины и жиры имеют более высокое содержание метана. Для богатых на углеводы субстратов, как например кукуруза можно рассчитывать на содержание метана в среднем 53% .
• Температура субстрата: на практике оказалось, что при высокой температуре ферментатора выход метана более плохой, чем при низких температурах. Это происходит через различия в растворимости и образованием газовидной двуокиси углеводорода. Чем большее количество CО2 перейдет в газовидную форму, тем меньшей будет процентная доля CЧАС4 в биогазе.

После метана и двуокиси углерода, сероводород (ЧАС2S) является важнейшей составляющей газа [5]. Сероводород очень агрессивен и вызывает коррозию, что в первую очередь вызывает проблемы с арматурой, газовыми счетчиками, горелками и двигателями. Поэтому необходимо очищать биогаз от серы. Очищенный от серы биогаз, почти не имеет запаха.      Газ, только что поступивший из биогазовой установки насыщен водным паром. Возможно, что пар содержит также следы еще малоисследованных растворенных веществ, способных вызывать проблемы при сжигании биогаза в котлах и двигателях. Например, на биогазовой установке в Рипперсхаузене непонятным образом образовывались пушистые хлопья, которые создавали в топке котла толстые наслоения. Потребовалось длительное время, чтобы установить, что эта «белая сажа» является оксидом кремния, возникающим вследствие коферментации силиконосодержащих косметических мазей как результат сложных химических реакций (образование силанов). Сушка биогаза конденсацией является поэтому очень важным шагом по обогащению газа. С помощью конденсированной воды сепарируют также большое количество содержащегося в биогазе аммиака, вызывающего в противном случае большие повреждения двигателя, особенно на подшипниках из цветных металлов.         Теплота сгорания одного кубометра достигает 25 МJ, что эквивалентно сгоранию 0,6 l бензина, 0,85 l спирта, 1,7 kg дров или использованию 1,4 кВт·час электроэнергии.

 

3.2 Оценка выработки биогаза из навоза

 

Зная массу навоза, можем определить количество биогаза, вырабатываемого из него:

                                          ;                                                              (1)

 где:  - выход биогаза из 1 т. навоза, в м3/t; ( м3/t)   
                            м3/z                                                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 КОНСТРУКТОРСКАЯ РАЗРАБОТКА

 

4.1 Выбор и расчет ДВС при сжигании биогаза

 

Биогаз предлагается сжигать в когенерационных установках. 
    Для того чтобы определить мощность когенерационных установок, необходимо рассчитать количество биогаза, которое будет выработано за 365 дней . Данное количество биогаза зависит от количества навоза. Перевезено будет примерно 60 000 т. навоза. Рассчитаем примерное количество биогаза, которое может быть выработано с этого количества навоза по формуле (1):

                                                      м3.

А это примерно 0,36 м3/s (учитывая, что данное количество биогаза будет сжигаться за 365 суток).

Изучив рынок газопоршневых установок, было принято решение использовать в данном проекте когенерационные модули австрийской фирмы Jenbacчасer, так как данная фирма предлагает линейку установок, специально предназначенных для сжигания биогаза. Исходя из рассчитанного выше расхода топлива, было выбрано две когенерационные установки Jenbacчасer 420 GS-B.LC, Biogas 1416 кВт (Австрия), специально предназначенные для сжигания биогаза. На этих установках можно так же сжигать и природный газ. Характеристики установки представлены в Таблице 12.

Таблица 12. Характеристика установки Jenbacчасer 420 GS-B.LC, Biogas 1,416 кВт

Характеристики установки		Значение	Единицы
1.	Номинальная мощность установки	1416	кВт
2.	Тепловая мощность	1460	кВт
3.	Электрическй КПД	42,0	%
4.	Термический КПД	43,2	%
5.	Общий КПД установки	85,2	%
Характеристики мотора  GE Jenbacчасer Gasмotor J 420 GS A21
6.	Тип
7.	Дизайн	V 70°
8.	Количество цилиндров	20	шт
9.	Диаметр поршня	145	мм
10.	Ход поршня	185	мм
11.	Частота вращения коленвала	1500	об/мин
12.	Скорость поршня	9,25	м/с
13.	Коэффициент сжатия	12,5
14.	Расход масла	0,3	гр/кВт
15	Расход топлива	612	м3/час
16.	Сухой вес мотора	6,600	kg
Храктеристики генератора  PE 734 F2
17.	Модель
18.	КПД при cosφ=1,0	97,6	%
19.	КПД при cosφ=0,8	96,8	%
20.	Частота	50	герц
21.	Напряжение	400	V
22.	Масса	3807	кг

 

На данных установках биогаз будет сжигаться вне сезона работы сахарного завода. Во время же работы сахарного завода на ДВС будет сжигаться природный газ, с целью более полного использования его энергии. Электрическая энергия, будет продаваться в сеть, а тепловая использоваться для ГВС поселка и на нужды биогазового завода (когда необходимо).

 

4.2 Расчет процессов наполнения и сжатия в камере сгорания ДВС

 

Процесс наполнения

Перед началом впуска в объеме камеры сгорания Ve находятся продукты сгорания, оставшиеся от предыдущего цикла, которые называются остаточными газами. Давление остаточных газов чуть меньше атмосферного. После прохождения верхней мертвой точки (ВМТ), поршень начинает двигаться к нижней мертвой точке (НМТ). В этот момент механизмом газораспределения открывается впускной клапан. Благодоря движению поршня к НМТ, камера сгорания наполняется новой порцией рабочей смеси.

Определим основные параметры смеси в процессе наполнения камеры сгорания. Давление смеси после компрессора находится по формуле:

Pa ;            (2)

         где: - давление окружающей среды, в Pa.

Pa.

Темература смеси на входе в камеру сгорания:

K;     (3)

          где:  - температура окружающей среды, в K;

 n – показатель политропы;

K.

Давление в начале процесса сжатия:

  Pa,          (4)

Pa.

Коэффициент наполнения:

;                     (5)

            где:  - степень сжатия;

        - температура остаточных газов, в K; для газовых двигателей K.

        - повышение температуры смеси от стенок цилиндра, в K;

.

Температура смеси в начале сжатия:

  K;    (6)

             где: - коэффициент который показывает какое количество газов осталось в цилиндре после завершения процесса выпуска, для четырехтактных двигателей он равен примерно 0,2.

K.

Процесс сжатия

Во-время второго такта, в цилиндре имеет место процесс сжатия, кроме этого, в начале процесса продолжается наполнение камеры рабочим телом из камеры сгорания, а в конце сжатия начинается процесс горения топлива. 

Процесс сжатия в камере сгорания - это адиабатный изоэнтропный процесс, отсюда следует что n=k1.

;     (7)

            где:  k – показатель адиабаты;

     a, b – эмпирические значения, a= 20,16, ;

    - температура смеси в начале сжатия, в K;

    -степень сжатия в адиабатном процессе.

 

.

Давление в конце сжатия:

                          Pa;     (8)

              где: - давление в начале процесса сжатия, в Pa;

 Pa.

Температура  в конце сжатия:

  K;     (9)

K

 

4.3 Расчет процесса горения

 

Расчет процесса горения в двигателях внутреннего сгорания проведем так же как и для энергетических котлов, так как используется один и тот же тип топлива, но при большем коэффициенте избытка воздуха.Теоретический объем воздуха необходимый для процесса горения рассчитывается по следующей формуле 1:  

                                      м3/м3.

Реальный объем воздуха, необходимый для процесса горения найдем по формуле:

               м3/м3;                                               (10)

где: - коэффициент избытка воздуха;

      

м3/м3.

Теоретический объем трехатомных газов рассчитаем по формуле 2:

                                                       м3/м3.

Теоретический объем водяных паров найдем по формуле 4:

 м3/м3.

Реальный объем водяных паров находится по формуле:

                  м3/м3.          (11)

Теоретический объем азота рассчитываем по формуле 3:

                                                          м3/м3.

Теоретический объем кислорода:

                                           м3/м3;                                          (12)

 м3/м3.

Общий объем газов находится как сумма всех газов входящих  в смесь:

   м3/м3;             (13)

   

м3/м3.

Теоретический коэффициент молекулярного изменения находим по формуле:

  ;            (14)

.

Действительный коэффициент молекулярного изменения расчитываемпо формуле:

 ;         (15)

.

Примем среднюю температуру смеси в процессе горения равной Tz=1900 K. Коэффициен повышения давления в камере сгорания находим по формуле:

;                 (16)

где: - температура  в конце сжатия, в K;

.

Максимальное давление в верхней мертвой точке: