38633

Підвищення енергоефективності очистки стоків тваринницьких ферм

Дипломная

Производство и промышленные технологии

1 Визначення виходу біогазу.4 Визначення виходу біогазу в залежності від циклу бродіння і кількість енергії біогазу даного підприємства .6 Визначення енергії товарного біогазу і коефіцієнту товарності 2.1 Дослідження залежності виходу біогазу від тривалості циклу бродіння.

Русский

2013-09-28

1.55 MB

16 чел.

                                                      РЕФЕРАТ

                          Стор:                       Рис:                      Табл:                    Бібл:

Метою даної роботи є підвищення енергоефективності очистки стоків тваринницьких ферм. Була поставлена задача дослідити, який режим є найбільш ефективним, мезофільний чи термофільний.

Шляхами вирішення задачі є побудова залежностей техніко-економічних показників   від тривалості циклу завантаження. Визначені коефіцієнти товарності, чистий дохід, приведені витрати та термін окупності в залежності тривалості циклу завантаження.  Виходячи з розрахунків та побудованих графіків, було визначено оптимальну тривалість циклу завантаження для обох режимів.

Показано, що кращі техніко-економічні показники має мезофільний режим .

Практично по даних математичних моделях та алгоритмах розрахунків може бути спроектована біогазова установка для ферм великої рогатої худоби в залежності від кількості голів великої рогатої худоби та вибраного процесу бродіння. Впровадження біогазової установки дозволить не тільки поліпшити санітарні умови на фермі, але також отримувати стабільний прибуток, дозволить значно зменшити викиди метану в атмосферу та отримувати пільги від держави за застосування зелених технологій.

БІОГАЗ, ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІСТЬ, ТЕРМОФІЛЬНИЙ, МЕЗОФІЛЬНИЙ, ЦИКЛ БРОДІННЯ.

                                            

                                              ABSTRACT

                 Pages:         Rices:        Tablets:         Library:

The main goal of this work is to increase the energy efficiency of  wastewaster  purifying from cattle-breeding farms. The task was to explore what condition is the most efficient, mesophilic or thermophilic.

The ways of solution of the task is to build dependencies of technical and economic indicators from the duration of the boot cycle.  Coefficients of  merchantability, income, adjusted costs and terms of payback,was calculated depending on the duration of the boot cycle. Based on the calculations and builded charts,  was determined the optimal duration of fermentation cycle for both conditions. 

  It was proved that the best technical-economic indicators has the mesophilic condition .

Practically according to the mathematical models and algorithms of calculations, can be designed biogas plant for cattle farms depending on the number of cattle and selected process of fermentation. Biogas plant installation will not only improve the sanitary conditions on the farm, but also will be able to receive fund profit, will significantly reduce methane emissions and receive benefits from the state for the use of  green  technologies.

BIOGAS, ENERGY EFFICIENCY, MESOPHILIC, TERMOPHILIC, FERMENTATION CYCLE

                                                         Зміст

ВСТУП…………………………………………………………………………

1. Аналітична частина…………………………………………………………...

    1.1 Методи обробки стічних вод тваринницьких ферм……………………

        1.1.1 Анаеробні процеси…………………………………………………...

        1.1.2 Біогазові установки………………………………………………......

        1.1.3 Типи біогазових установок ………………………………………....

        1.1.4 Види біогазових реакторів…………………………………………..

        1.1.5 Методи підвищення енергоефективності БГУ……………………..

        1.1.6 Проблема рентабельності біогазової установки…………………...

        1.1.7 Інновації у галузі енергозбереження при використанні БГУ……..

2. Спеціальна частина …………………………………………………………...

    2.1 Методика дослідження…………………………………………………...

         2.1.1 Визначення виходу біогазу………………………………………….

        2.1.2  Визначення добового виходу стічних вод…………………………

        2.1.3 Визначення залежності  об'єму реактора від тривалості

        циклу бродіння…………………………………………………..................

        2.1.4 Визначення виходу біогазу в залежності від циклу

                 бродіння і кількість енергії біогазу даного підприємства ……......

        2.1.5 Визначення енергетичних витрат на власні потреби……………...

     2.1.6  Визначення енергії товарного  біогазу і коефіцієнту

товарності………………………………………………………………………

         2.1.7 Техніко-економічні розрахунки………………………………..  

2.1.8  Визначення прибутків та терміну окупності БГУ………………..

  2.2 Обговорення результатів……………………………………………….

    2.2.1 Дослідження залежності виходу біогазу від тривалості   

              циклу бродіння………………………………………………...............

    2.2.2 Дослідження коефіцієнту товарності від тривалості циклу

              завантаження…………………………………………………………..            

   2.2.3 Дослідження чистого доходу від тривалості циклу

             завантаження……………………………………………………………   

   2.2.4 Дослідження приведених витрат від тривалості циклу

             бродіння…................................................................................................

     2.2.5 Дослідження терміну окупності проекту від тривалості циклу                                      

   завантаження……………………………………………………………  

   2.2.6 Висновки………………………………………………………………….

3.  Охорона праці та техногенна безпека……………………………………….

   3.1 Аналіз потенційно небезпечних та шкідливих чинників,

що впливають на працівника EОМ………………………………………      

    3.2 Вимоги до робочого місця……………………………………………….

    3.3 Виробнича санітарія……………………………………………………..

        3.3.1 Освітлення……………………………………………………………

        3.3.2 Мікроклімат…………………………………………………………..  

        3.3.3 Захист від впливу шумів…………………………………………….

        3.3.4 Опалення……………………………………………………………...

     3.4  Електробезпека…………………………………………………………..

     3.5 Пожежна безпека………………………………………………………...

     3.6 Розрахунок системи загального освітлення методом  

             світлового потоку……………………………………………………….

      3.7 Висновки…………………………………………………………………

                                      Вступ

Постійно зростаюча тваринницька промисловість країни призвела до проблеми утилізації стоків. Поблизу тваринницьких комплексів особливу загрозу навколишньому середовищі становлять скупчення навозу, а також нітратне й мікробне забруднення землі, поверхневих і підземних вод.              Забруднення ґрунтів, сніжного покриву й вод місцевого стоку тягне за собою відповідні зміни показників якості кормових культур на сільськогосподарських угіддях, що примикають до тваринницьких ферм.

При стійловому триманні худоби накопичуються великі маси навозу, через його недосконалу утилізацію у водні системи виносяться чималі кількості грубо дисперсної малоразкладенної органіки й біогенних речовин,  а тому існує потреба в їх ефективній утилізації. Сучасні методи, до яких відноситься анаеробне бродіння дозволяють не тільки очистити стічні води, але також отримати високоякісні добрива та електроенергію від спалювання біогазу.

               

                                       1. Аналітична частина          

              1.1 Методи обробки стічних вод тваринницьких ферм

1.1.1 Анаеробні процеси. Анаероби - організми, які отримують енергію при відсутності доступу кисню шляхом субстратного фосфорилювання, кінцеві продукти неповного окислення субстрату при цьому можуть бути окислені з отриманням більшої кількості енергії у вигляді АТФ в присутності кінцевого акцептора протонів організмами, що здійснюють окисне фосфорилювання.
           
Анаероби - велика група організмів, як мікро-, так і макрорівня:
анаеробні мікроорганізми - велика група прокаріотів та деякі прості.
макроорганізми - гриби, водорості, рослини і деякі тварини (клас фораминефери, більшість гельмінтів.

           На першому етапі анаеробного бродіння органічних речовин шляхом біохімічного розщеплення (гідролізу) спочатку відбувається розкладання високомолекулярних сполук (вуглеводів, жирів, білкових речовин) на низькомолекулярні з'єднання. Жир - високомолекулярні жирні кислоти, глицероль.Білок - амінокислоти, низькомолекулярні лептиди. Полісахариди - моносохариди, дисахариди.На другому етапі за участю кислотоутворюючих бактерій->(летючі жирні кислоти,спирт,альдегіди,кетони,аміак,вуглекислий газ,водень,вода) відбувається подальше розкладання з утворенням органічних кислот та їх солей, а також спиртів, СО2 і Н2, а потім Н2S і NH3. Остаточне перетворення органічних речовин в СО2, СН4 здійснюється на третьому етапі процесу(метанове бродіння) Крім того, з СО2 і Н2, утворюється надалі додаткова кількість СН4 і Н2О.Ці реакції відбуваються одночасно, причому метаноутворюючі бактерії вимагають до умов свого існування куди більш високі вимоги, ніж кислотоутворюючі. Так наприклад потребують абсолютно анаеробного середовищі і вимагають більш тривалого часу для розмноження.Швидкість і маштаби анаеробного бродіння метанооутворюючих бактерій залежать від їх метаболічної активності.

            Метаболічна активність та репродуктивна здатність мікроорганізмів знаходяться в функціональної залежності від температури. Таким чином, температура впливає на обсяг газу, який можна отримати з певної кількості органічної речовини протягом заданого часу, а також на технологічну тривалість процесу бродіння, необхідного для вивільнення при відповідній температурі певної кількості газу. Відомі дві температурні межі (близько 33 С0 і 52 С0), яким відповідають найвищі значення метаболічної активності.                  

             Переривчасте протікання функції пояснюється заміною мезофильного штаму бактерій на термофільний. Однак, відповідно до новітніх досліджень, такої преривності не існує, а це означае, що з підвищенням температури приблизно до 52 оС (62) умови для утворення газу поліпшуються. Мікробіологічна активність майже припиняється, якщо температура падає до 15 оС. До перепадів температури, особливо до її раптових понижень, мікроорганізми особливо чутливі і реагують на це зниженням метаболічної активності і здатності до відтворення. Крім того, температура впливає на якість газу. Так, при зростанні температури знижується частка СН4 в загальному обсязі виділяемих газів. Через те що метаболічна активність і рівень відтворення метанових бактерій нижче ніж кислотоутворюючих, при наростании кількості органічних речовин, що утворюються, може вийти надлишок летючих кислот, який зменшує активність метанових бактерій, як тільки значення рН спуститься нижче 6,5 .Зазвичай величина рН завдяки буферним властивостям субстрату при нерівномірному утворенні кислот підтримується на постійному рівні. Ці властивості виявляються шляхом утворення карбонатів у кількостях, що перевищують кількість СО2 , який виділився при бродінні.

В якості оптимальних значень можуть бути названі:

  •  Лужність 1500…5000 мг на СаСО3 на 1л субстрату;
  •  рН 6,5…7,5
  •  вміст летючих кислот 600…1500 мг на 1л субстрату.

 

  Ознаки порушення процесу анаеробного зброджування:

  •  зниження лужності;
  •  приріст вмісту летючих кислот;
  •  приріст долі СО2 в газі який виділяется.
  •  зниження виходу газу.

                       Інгібітори анаеробного процесу

           До речовин, які у великий концетрації перешкоджають життєдіяльності мікроорганізмів, відносять насамперед важкі метали та їх солі, лужні метали, лужноземельні метали, аміак, нітрати, сульфіди, детергенти, органічні розчинники, антибіотики.

           ГДК концентрацій речовин, які зупиняють метанове бродіння, мг на 1 л субстрату:

Мідь – 10

Кальцій – 8000

Натрій – 8000

Калій -3000

Магній – 3000

Аміак – 1500

Сульфіди – 200

Нітрати – 50

            Детергенти, антибіотики та органічні розчинники навіть в малій кількості зупиняють процесс бродіння.

                               Живильне середовище

Передумовою бесперебійного розмноження бактерій є наявність живильного середовища, яке містить як вуглець і кисень для забезпечення цього процесу енергіею, так і водень, азот, кальцій, фосфор - для утворення білка, а також  лужні метали, залізо і мікроелементи. При цьому активність мікробної реакції в значній мірі визначається відношенням вуглецю до азоту: найбільш сприятливим умовам відповідають значеня від 10 до 16. Якщо у вихідному субстраті вуглеводів більше, ніж білкових речовин, то утворюється мало амонійного азоту, внаслідок чого виділяється менше СН4 і більше Н2 і СО2, що веде до збільшення виходу кислот, зниженню рН і тим самим до подальшого зменшення інтенсивності метанового бродіння. З іншого боку, надлишок білків і амінокислот обумовлює зростання рН до 8, що також призводить до загасання процесу метаноутворення.

                                      Вміст газу

           Кількість і склад газу, який утворюється в результаті повного розкладання органічної речовини, залежить від співвідношення C:H:O:N в матеріалі і від температури процесу бродіння. З найважливіших сполук, що входять до складу органічної речовини, найбільший вихід газу з високим вмістом СН4 обумовлюють жири, білкові речовини - трохи менший, але теж з високим умістом СН4, і вуглеводи - відносно малу кількість, з найменшим вмістом СН4. Середній склад газу, який можна отримати з екскрементів тварин при оптимальній температурі бродіння 34C9 відповідає СН4/СО2= 2.

                         

                                     Концентрація твердих речовин

            Передумовою високої інтенсивності реакції слугує безперешкодний обмін речовин на граничних поверхнях фаз, який повинен підтримуватися  безперервним оновленням цих поверхонь шляхом перемішування субстрату. Однак  це можна забезпечити тільки в тому випадку, якщо в'язкість субстрату допускає свободу переміщення рідини, суспендованих твердих частинок, особливо бактерій, і бульбашок газу. Верхня межа концентрації твердих частинок, при якій ще можливе вільне переміщення фаз, для субстрату з дрібнодисперсної суспензії твердих речовин відповідає 10...12%. При великих значеннях вихід газу значно зменшується. Шляхом інтенсивного перемішуванняя і відповідного підведення енергії небажаний ефект можна суттєво обмежити.

    

    1.1.2 Біогазові установки. Спосіб отримання біогазу відомий давно: біогаз утворюється в процесі зброджування відходів органічного походження без доступу кисню. Однак технологія та апаратні засоби постійно удосконалюються з метою більш ефективної переробки органічних відходів в рідкий шлам з підвищеним виходом біогазу. Залежно від вихідної сировини шлам може бути використаний в якості готового до застосування добрива (переробка гною, посліду) або високоефективних кормових додатків (переробка відходів харчових виробництв).

Установки для виробництва біогазу є сучасними комплексними біореакторами, що працюють з високою ефективністю і з дуже низькими витратами.
          Як правило, біогазові установки будуються на базі тваринницьких комплексів, птахофабрик і підприємств з переробки сільськогосподарської продукції. Вони призначені для переробки різних відходів сільськогосподарського виробництва та харчової промисловості і слугують для:
1. утилізації відходів і поліпшення екологічної обстановки в зонах виробництва сільгосппродуктів та їх переробки.
2. отримання енергетичних ресурсів (біогаз, електрика, теплова енергія);
3. отримання екологічно чистих органічних добрив.
        Фактично, біогазові установки скорочують цикл кругообігу речовин і енергії з декількох років до декількох тижнів; збирають метан, який виділяється в процесі бродіння.

             1.1.3 Типи біогазових установок 

        1.Біогазова установка з ручним завантаженням без перемішування і без підігріву сировини в реакторі:

        Рисунок 1.1 - Біогазова установка з ручним завантаженням без перемішування і без підігріву сировини в реакторі

         Найпростіша біогазова установка призначена для невеликих фермерських господарств. Об'єм реактора установки від 1 до 10 м3 розрахований на переробку 50 - 200 кг навозу за добу. Установка містить мінімум складових частин для забезпечення процесу переробки навозу і отриманню біодобрив і біогазу: реактор, бункер завантаження свіжої сировини, пристрій відбору і використання біогазу, пристрій вивантаження збродженої сировини.

         Біогазова установка може бути використана в південних районах без підігріву і перемішування, і призначена для роботи в психофільному температурному режимі від 5°С до 20°С. Вироблюваний біогаз відразу направляється на використання в побутових приладах.
Перероблена маса видаляється з реактора через розвантажувальну трубу в момент завантаження чергової порції сировини або за рахунок тиску біогазу в реакторі установки. Розвантажена зброджена маса потрапляє в ємність для тимчасового зберігання, яка за обсягом повинна бути не менше обсягу реактора.

   

              2. Біогазова установка з ручним завантаженням і перемішуванням сировини:

               Рисунок 1.2 - Біогазова установка з ручним завантаженням і перемішуванням сировини

          Данна біогазові установка призначена для невеликих фермерських господарств. Об'єм реактора установки від 1 до 10 м3 розрахований на переробку 50 - 200 кг навозу за добу. Для підвищення ефективності роботи біогазової установки -  змонтовано пристрій ручного перемішування сировини.

          3. Біогазова установка з ручним завантаженням, перемішуванням і підігрівом сировини в реакторі.

          Рисунок 1.3 - Біогазова установка з ручним завантаженням, перемішуванням і підігрівом сировини в реакторі.

         Для більш інтенсивного і стабільного процесу бродіння встановлена система підігріву реактора.

           Установка може працювати в мезофільному і термофільному режимах. Реактор біогазової установки підігрівається за допомогою водогрійного котла, що працює на виробленому біогазі. Решта біогазу використовується безпосередньо в побутових приладах.
           
Перероблену сировину зберігають у спеціальній ємності до часу внесення в ґрунт.

        4. Біогазова установка з ручним завантаженням, газгольдером, пневматичним перемішуванням сировини, з підігрівом сировини в реакторі:

           Рисунок 1.4 - Біогазова установка з ручним завантаженням, газгольдером, пневматичним перемішуванням сировини, з підігрівом сировини в реакторі

         Проста установка з ручним завантаженням сировини в реактор оснащена автоматичним відкачуванням біогазу, що виробляється, і газгольдером для його зберігання.

           Перемішування сировини в реакторі проводиться пневматичним способом з використанням біогазу.

           Така біогазова установка може працювати у всіх температурних режимах бродіння.

         5. Біогазова установка з газгольдером, ручною підготовкою і пневматичним завантаженням і перемішуванням сировини, з підігрівом сировини в реакторі.

            Рисунок 1.5 - Біогазова установка з газгольдером, ручною підготовкою і пневматичним завантаженням і перемішуванням сировини, з підігрівом сировини в реакторі.

          Установка призначена для малих і середніх фермерских угідь можливістю переробки від 0,3 до 1,5 тонн сировини на добу. Обсяги реакторів - від 5 до 25 м3.

           Завантаження і перемішування сировини механізовані і здійснюється за допомогою пневматичної системи. Підігрів сировини в реакторі біогазової установки проводиться теплообмінником з водонагрівальним котлом, що працюють на біогазі. Трубопровід вивантаження сировини має розгалуження для збору біодобрив в сховище і для завантаження в транспортні засоби для вивозу на поля.

           Улаштування цієї біогазової установки передбачає ручну підготовку і пневматичне завантаження сировини в реактор, частина виробленого біогазу використовується для підігріву сировини в реакторі.                                  Перемішування проводиться біогазом.

            Відбір біогазу проводиться автоматично. Біогаз зберігається в газгольдері. Установка може працювати в будь-якому температурному режимі бродіння сировини.

               6.Біогазова установка з газгольдером, механічної підготовкою, пневматичним завантаженням і перемішуванням сировини, з підігрівом сировини в реакторі:

         Рисунок 1.6 - Біогазова установка з газгольдером, механічної підготовкою, пневматичним завантаженням і перемішуванням сировини, з підігрівом сировини в реакторі.

           Відмінною особливістю цієї біогазової установки, призначеної для середніх і великих селянських господарств, є наявність спеціальних ємностей для підготовки сировини, звідки вона подається за допомогою компресора в бункер завантаження, а потім за допомогою стисненого біогазу - в реактор установки. Для роботи системи обігріву використовується частина виробленого біогазу. Установка оснащена автоматичним відбором біогазу і газгольдером для його зберігання. Наявність системи обігріву дозволяє експлуатувати біогазову установку у всіх режимах бродіння.

           1.1.4 Види біогазових реакторів. Головною частиною біогозових установок є біогазовий реактор. Існує багато видів біогазових реакторів. Нижче наведені найбільш поширені.

Біогазовий реактор з лопатевим перемішувачем  містить резервуар 1, який зверху накритий каркасом теплиці 8 (рис. 1.7). Всередині резервуара 1 розміщений  лопатевий перемішувач 9, що служить для перемішування біомаси. На валу 2 перемішувача  закріплений підігрівач біомаси 3. Над перемішувачем змонтована захисна газорозподільна решітка 7, над якою влаштований штуцер відведення біогазу до труби споживача 4. Під перемішувачем розміщене дно 10, яке шарнірно прикріплене до корпусу 1 з можливістю опускання вниз. Наверху конструкції  міститься  бункер  завантаження біомаси 5 з шиберною засувкою 6.

 

Рисунок 1.7 − Біогазовий реактор з лопатевим перемішувачем

    Біогазовий реактор працює за таким принципом - біомаса завантажується через бункер завантаження біомаси 5 та рухається всередину конструкції крізь шиберну засувку 6 у резервуар . На підігрівачі біомаси 3 суміш нагрівається та за допомогою лопатевих перемішувачів 9  змішується  та рівномірно прогрівається. З резервуара  утворений біогаз, рухаючись через захисну газорозподільну решітку 7, виходить через штуцер відведення біогазу до труби споживача 4. Дно 10 опускається вниз і біодобриво видаляється.

    Шнековий перемішувач надає біогазовому реактору більшої продуктивності за рахунок рівномірності прогріву (рис. 1.8). Пристрій містить резервуар 1, який зверху накритий каркасом теплиці 8. Всередині резервуара 1  розміщений  шнековий перемішувач  9, що  служить для  перемішування біомаси.  Всередині валу 2 перемішувача  закріплений підігрівач 3. Над перемішувачем  змонтована захисна газорозподільна решітка 7, над якою влаштований штуцер відведення біогазу до труби споживача 4. Під перемішувачем  змонтовано  шарнірно прикріплене до корпусу дно 10, з можливістю опускання вниз.

Наверху конструкції  міститься  бункер  завантаження 5 з шиберною засувкою 6.

Рисунок  1.8 − Біогазовий реактор із шнековим перемішувачем

 

    Біореактор працює таким чином. Біомаса завантажується через бункер завантаження 5 та рухається всередину конструкції крізь шиберну засувку 6 у резервуар 1. Завдяки підігрівачу 3 біомаси суміш нагрівається та за допомогою шнекового перемішувача 9 змішується й рівномірно прогрівається. З резервуара утворений  біогаз,  рухаючись  через  захисну  та  газорозподільну решітку 7, виходить через штуцер відведення біогазу до труби споживача 4. Дно 10 опускається вниз і біодобриво видаляється.

    Біогазова установка з вертикальною пропелерною мішалкою з покращеним процесом перемішування суміші збільшує виробництво біогазу з одиниці ваги біомаси (рис. 1.9).

    Біореактор містить  резервуар  1,  який  зверху накритий каркасом теплиці  8. Усередині  резервуара  на валу 2 розміщена вертикальна пропелерна мішалка 9, що служить для перемішування біомаси. В середині валу  встановлений підігрівач біомаси 3. Над вертикальною мішалкою  змонтована захисна газорозподільна решітка 7, над якою влаштований штуцер відведення біогазу до труби  споживача 4.

Рисунок 1.9 − Біогазовий реактор з вертикальною пропелерною мішалкою

 

Під вертикальною   мішалкою  розміщений опорний елемент з отворами для проходження відпрацьованої маси 11 та дно 10, яке шарнірно прикріплене до корпусу  з можливістю опускання вниз. Наверху конструкції  міститься  бункер завантаження 5 з шиберною засувкою 6.

Інтенсифікація процесу анаеробного бродіння в біогазовій установці є досить ефективною з використанням різноманітних перемішувальних пристроїв. Введення в конструкцію біогазової установки перемішувача приводить до зростання її ефективності.

 

         1.1.5 Методи підвищення енергоефективності БГУ. Сучасна біогазова установка – це комплекс пристроїв, пов’язаних між собою гідравлічними, механічними, електричними та інформаційними зв’язками. В час високих технологій управління виробленням біогазу повинно бути максимально комп’ютеризованим та автоматизованим, щоб забезпечити максимальний ККД . Досягти високої продуктивності БГУ можливо при комплексному поєднанні всіх інноваційних рішень. Запропоновано принципову енергозберігаючу технологічну схему з виробництва біогазу з теплообмінником (рис 1.10) та тепловим насосом (рис 1.11), які втілюють всі попередні рекомендації. На рис. 1.10 зображено:

1 - реактор установки з конусами доверху і донизу;

2 - верхній конус установки для збору біогазу;

3 - нагрівальний елемент трубчастого типу;

4 - нижній конус для збору шламу;

5 - пристрій для видалення сірки;

6 -  пристрій для видалення вуглекислого газу;

7 -  газгольдер;

8 -  трубопровід, що транспортує газ на потреби господарства;

9 -  трубопровід, що транспортує газ на потреби БГУ;

10 - сервопривод з триходовим клапаном;

11- трубопровід, що транспортує рідку фазу шламу на полив;

12 - розділювач фаз відпрацьованого субстрату;

13 - теплообмінник типу «труба в трубі» для рекуперації тепла відпрацьованого шламу;

14 - фекальний насос;

15 - резервуар – збірник органічних відходів;

16 - циркуляційний насос системи теплопостачання БГУ;

17 - поле висушування сухої частини шламу.

    Згідно з технологічною схемою біогазова установка працює таким чином. По накопиченні в резервуарі 15 (рис. 1.10) органічних відходів вони фекальним насосом 14 відкачуються в трубопровід і подаються у верхню частину реактора 1. В реакторі  суміш перемішується і зволожується до необхідної концентрації сухої речовини. В процесі  транспортування відпрацьований субстрат і свіжа органічна маса обмінюються теплом в теплообміннику 13. При цьому відпрацьований шлам втрачає тепло, а свіжа маса нагрівається.  Підігрів субстрату здійснює теплообмінник 3, що знаходиться в реакторі. Регуляція потужності теплообмінника виконується за допомогою змішувальної установки, до якої входить триходовий клапан з сервоприводом 10 та циркуляційний насос 16. Температура біогазу та його тиск контролюються манометром і термометром, що розміщені в кришці реактора.

 

       Рисунок  1.10 Технологічна схема вироблення біогазу з рекуперативним   теплообмінником

Рисунок  1.11 Технологічна схема вироблення біогазу з тепловим насосом

 

    Поступово накопичений біогаз випускають у пристрої видалення сірки 5, видалення вуглекислого газу – 6, та збирають у газгольдері 7. З газгольдера 7 газ направляють трубопроводом 9 на потреби самої БГУ, а трубопроводом   8 – на потреби господарства. 

    Відпрацьований шлам має високий запас теплової енергії, яка зазвичай розсіюється в атмосферу. Влітку  різниця температур між органічною масою, що надходить в реактор, і тою, що його покидає, досягає D = 20 °С. Взимку  ця різниця досить значна і може становити         D = 40…50 °С. Для максимально повної утилізації тепла рекомендується використовувати тепловий насос, який дозволить знизити витрати тепла на нагрівання вхідної сировини в декілька разів. Схема роботи БГУ з утилізатором тепла – тепловим насосом зображена на рис. 1.10.  

На рисунку 1.10 зображено:

1 - реактор установки з конусами доверху і донизу;

2 - верхній конус установки для збору біогазу;

3 - нагрівальний елемент трубчастого типу;

4 - нижній конус для збору шламу;

5 - пристрій для видалення сірки;

6 - пристрій для видалення вуглекислого газу;

7 - газгольдер;

8 - трубопровід, що транспортує газ на потреби господарства;

9 - трубопровід, що транспортує газ на потреби БГУ;

10 - сервопривод з триходовим клапаном;

11 - трубопровід, що транспортує рідку фазу шламу на полив;

12 - розділювач фаз відпрацьованого субстрату;

13 - тепловий насос для рекуперації тепла відпрацьованого шламу;

14 - фекальний насос для подачі і видалення субстрату;

15 - резервуар-збірник органічних відходів;

16 - циркуляційний насос системи теплопостачання БГУ;

17 - поле висушування сухої частини шламу;

18 - конденсатор теплового насоса;

19 - випарник теплового насоса;

20 - компресор з терморегуляційним вентилем теплового насоса.

 

    Принцип роботи даної технологічної схеми аналогічний попередній. Але вона є ще енергоощаднішою за рахунок встановлення додаткового фекального насоса для видалення шламу та теплового насоса 13 для більш глибокої рекуперації тепла.

 1.1.6 Проблема рентабельності біогазової установки. Головною проблемою є рентабельність біогазових установок , яка пропорційна витратам енергії на обігрівання реактора. Мікробіологічні особливості протікання процесу анаеробного бродіння вимагають дотримання меж температурних режимів і температурної стабілізації, рівномірного прогріву середовища, відсутності зон переохолодження і перегріву.

    Щоб отримати необхідну для процесу бродіння температуру і по можливості підтримувати її на сталому рівні, варто перш за все підігріти до необхідної температури субстрат, який подається в реактор. Додаткове підведення теплоти необхідне для компенсації теплових втрат. Теплоту можна підводити до субстрату в робочому середовищі реактора або в пристрої, який його підживлює. Оскільки перепади температури негативно впливають на хід біологічного процесу анаеробного бродіння, необхідно по можливості поєднувати підведення теплоти до реактора з інтенсивним перемішуванням субстрату. Крім того, в системі підведення теплоти необхідно передбачати, щоб на поверхнях теплопередачі не відкладалися тверді частинки субстрату. Тому рекомендовані, наприклад, високі швидкості руху субстрату відносно поверхонь теплопередачі або поверхні, які легко очищуються. На роботу теплообмінника не повинна впливати присутність в субстраті твердих матеріалів (наприклад, стебел соломи, пір’я, шерсті) .

      Для невеликих реакторів як пристрої перемішування використовуються теплообмінні нагрівні агрегати (наприклад, гнучкі неметалеві трубопроводи, циліндричні або плоскі теплообмінники), через які проходить гаряча вода і які можна виймати із реактора при його очищенні. Нагрівачі, вбудовані в стінки реактора, доцільно застосовувати з точки зору їх коефіцієнта корисної дії лише в тому випадку, коли вони можуть передавати теплоту до субстрату з обох сторін стінки так, як це відбувається в двокамерному реакторі з внутрішньою перегородкою. Крім того, підігрівання субстрату можна здійснювати безпосередньо, подаючи в нього гарячу воду або пару. Оскільки вода служить одночасно для розбавлення і турбулізації субстрату, який при завантаженні містить велику кількість твердих частинок, цей метод може виявитись         ефективним . Підігрівання субстрату шляхом введення пари під тиском призводить до підвищення вмісту вологи в біогазі, для усунення якої при підготовці газу до використання необхідні додаткові заходи. У великих установках, особливо в комунальних установках для очищення стічних вод, цим недоліком нехтують, зважаючи на більш високий енергетичний коефіцієнт корисної дії теплопередачі.

     Рівномірну передачу теплоти до субстрату можна забезпечити за допомогою теплообмінників, розташованих поза реактором. Проте їх слід використовувати лише в поєднанні з системою вимушеної циркуляції субстрату, що спричиняє відповідне підвищення витрат енергії, але дозволяє надійно регулювати температуру бродіння. Ця система підігрівання має переваги завдяки одночасному підігріву та перемішуванню свіжого та циркулюючого субстрату. Різниця між температурами субстрату, який надходить в реактор та тим, що там знаходиться, буде незначною. До того ж, надійно підтримується швидкість переміщення субстрату, яка є необхідною для запобігання випадіння твердого осаду на поверхнях теплообмінника. Розташування теплообмінників поза межами реактора значно полегшує доступ до них для обслуговування та ремонту.

      Постійне рівномірне розподілення та переміщення рідини і твердих речовин, які містяться в ній та різняться за розміром, формою та щільністю, є передумовою безперешкодного та ефективного протікання процесу бродіння.

      У бродильних камерах необхідно проводити стрімке перемішування для попередження виникнення у верхній частині реактора спливаючої речовини. Це значно прискорює процес бродіння і вихід біогазу. Без перемішування для отримання такої ж продуктивності об'єм реактора повинен бути значно збільшений.

    Перемішування здійснюється :

     -  механічними мішалками різної форми або насосами з приводом від електродвигуна;

     -  гідравлічними насадками за рахунок енергії струменя, перекачуваного насосом зароджуваного гною або рециркуляцією;

      -   надмірним тиском біогазу, що пропускається через барботер або трубку, розташовану в нижній частині реактора.

      При застосуванні обертових перемішувальних пристроїв висуваються високі вимоги до форми реактора, оскільки він повинен забезпечувати необхідні умови для зменшення утворення осаду і плаваючої кірки. Швидкість переміщення, що потрібна для інтенсивного перемішування субстрату, визначається умовами турбулентності в усіх зонах реактора. Тому такі мішалки можуть ефективно використовуватись лише в невеликих реакторах при дії на важкі субстрати. Для субстратів малої в’язкості, що містять мало речовин, схильних до осадження чи утворення плаваючої кірки, механічні перемішувальні пристрої є більш ефективними і у відносно великих реакторах.

    У великих реакторах, особливо циліндричної форми, субстрат можливо перемішувати гідравлічним способом, тобто за допомогою струменя рідини. В численних біогазових установках, збудованих в Федеративній Республіці Німеччині 20 років тому, добре зарекомендувала себе система з рухомим соплом. При горизонтальному направленні сопла, яке обертається навколо осі реактора та може переміщуватись вздовж неї, струмінь рідини потрапляє в усі зони робочого простору реактора.  Гідравлічні системи з нерухомим соплом вимагають, навпаки, ретельного підбору згідно з розмірами і формою реактора, щоб забезпечувати достатнє перемішування субстрату в усіх зонах реактора.

     Високу якість перемішування можна отримати, нагнітаючи отриманий в результаті бродіння газ в рідкий субстрат. Проте при цьому субстрат не повинен мати високу в’язкість та схильність до утворення плаваючої кірки. В іншому випадку слід безперервно видаляти частинки, які спливають, або відокремлювати великі частинки твердого матеріалу від субстрату перед завантаженням його в реактор.

     Структурну схему шляхів інтенсифікації теплового процесу анаеробного бродіння субстрату в біогазових установках наведено   на рисунку.

     Перспективними шляхами вдосконалення устаткування для інтенсифікації процесу анаеробного бродіння субстрату в біогазових установках з метою збільшення виходу біогазу та зменшення часу перебування субстрату в установці є механічне перемішування. Одним із напрямків інтенсифікації та зменшення енерговитрат на виробництво біогазу є також зменшення тепловтрат через захисні конструкції корпуса установки.

Рисунок 1.12 -  Шляхи інтенсифікації теплового процесу анаеробного бродіння субстрату.

     1.1.7 Інновації у галузі енергозбереження при використанні БГУ. У наш час з’явився ряд інновацій у галузі енергозбереження зокрема очищення стоків тваринницьких ферм, одним із напрямків є повна автоматизація біогазових установок, для підвищення ККД та більшого енергозбереження. Для процесів анаеробного бродіння  виділяють три температурних режими, дотримання в межах яких є необхідною умовою безперебійного вироблення біогазу і життєдіяльності метаноутворювальних бактерій. Також до обмежувальних умов належить максимальна температура нагрівального елемента, яка не може перевищувати 60°С. Нагрівання субстрату відбувається за рахунок передачі тепла води, що протікає через нагрівальний елемент. Вода гріється в котлі за рахунок спалювання виробленого біогазу. При обертанні пластини активатора відбувається активне перемішування субстрату, вирівнювання полів температур, інтенсифікація теплообміну між нагрівником і субстратом.           Для зменшення енерговитрат і збільшення виходу біогазу необхідно контролювати і регулювати такі величини: температуру поверхні нагрівального елемента; температуру субстрату в трьох шарах – верхньому, середньому і нижньому; швидкість вібрування пластини-активатора чи обертання мішалки. Для контролю і управління параметрами анаеробного бродіння в біореакторі пропонується така схема управління (рис. 1.3). Управління за даною схемою можливе в реакторі з інтенсифікацією теплообміну. Температура субстрату відслідковується сенсорами t2, t3, t4, температура поверхні нагрівника − сенсором t1. За даними сенсора t1 сервопривод триходового клапана на подачі теплоносія на нагрівник регулює ступінь підмішування зворотного теплоносія.

     За показами всіх температурних сенсорів згідно із закладеною програмою в ЕОМ відбувається управління двигуном – збурювачем  перемішувань субстрату за допомогою частотного регулятора. Кількість обертів двигуна відслідковується тахометром. Для передачі інформації в ЕОМ від датчиків і тахометра слугують пристрої спряження ПС1…ПС3. Для передачі сигналів керування від ЕОМ до сервопривода і частотного регулятора слугують пристрої спряження ПС4…ПС5.

    Для інтенсифікації теплообміну вибрано спосіб вібрації середовища, що в окремих випадках дозволяє збільшити тепловіддачу у десятки разів. Вібрація чи перемішування середовища або нагрівального елемента приводить до активного перемішування середовища, вирівнювання температури в об’ємі, інтенсифікації теплообміну. Це в кінцевому випадку приводить до зменшення площ теплообміну, покращення протікання технологічних процесів та енергозбереження.

   Рисунок 1.13 Схема автоматичного управління параметрами реактора для анаеробного бродіння: 

 

     ЕОМ – контролер (мікрокомп’ютер),  БЖ – блок живлення, t1, t2, t3, t4 – сенсори температури, ПС1…ПС5 – пристрої спряження.

 

    За показами всіх температурних сенсорів згідно з закладеною програмою в стаціонарному комп’ютері відбувається управління двигуном – збурювачем  перемішувань субстрату за допомогою частотного регулятора. Кількість обертів двигуна відслідковується тахометром. Для передачі інформації в ЕОМ від датчиків і тахометра слугують пристрої спряження ПС1…ПС3. Для передачі сигналів керування від ЕОМ до сервопривода і частотного регулятора слугують пристрої спряження ПС4-ПС5.

    Від мікрокомп’ютера (контролера) оброблена інформація направляється на стаціонарний комп’ютер, в якому за допомогою  спеціально розробленої програми вона подається у графічному вигляді і записується у текстовий файл. Принципову схему інформаційних зв’язків експериментальної установки наведено на рис. 1.13. 

    Алгоритм програми автоматичного моніторингу роботи БГУ реалізований на мові програмування Object Pascal з використанням IDE Delphi 7. Робочі вікна програми обробки та збору даних від експериментальної установки наведено на рис. 1.14.

      В головному вікні 1 (рис. 1.14 будуються графіки залежності температур і кількості обертів вала двигуна від часу дослідження. На інформаційній панелі 2 у відповідних комірках динамічно фіксуються дані параметрів у вигляді числових значень.

       Кнопки 3 – “R” ,“P”, “S” відповідно: початок зчитування даних,  пауза і стоп – зупинення роботи. У вікнах 4 і 5 відбувається налагодження роботи програми і роботи COM порта:  

- інтервал таймера (1–20 сек, з інтервалом 0,1 сек);

- режим роботи програми (безперервно, дискретно);

- мінімальні значення відображення для всіх параметрів;

- максимальні значення відображення для всіх параметрів.

    Параметри настроювання СОМ порту:

-         номер порту;

-         швидкість передачі/прийому  даних;

-         кількість біт інформації;

-         тип контролю достовірності інформації;

-         кількість стоп-біт.

    Загальний вигляд експериментального контролера наведено на рис. 5.

    Структурно-логічні схеми програми обробки та збору даних від експериментальної установки зображено на рис. 1.15.

    Всі пристрої спряження конструктивно виконано у вигляді мікрокомп’ютера. Мікрокомп’ютер виконано на базі однокристалічного мікроконтролера .

     Програма дозволяє записувати дані з інтервалом в 1 секунду у текстовий файл, який потім можна прочитати у табличному редакторі. Запис даних ведеться у форматі: дата, час, кількість обертів валу двигуна, температура першого датчика, температура другого датчика, температура третього датчика, усереднена температура датчиків, що розміщені в нагрівальному елементі.

     Рисунок 1.14 Робочі вікна програми оброблення та збору даних від експериментальної установки

    Рисунок  1.15 Загальний вигляд експериментального контролера

Рисунок 1.16 −  Структурно-логічні схеми програми обробки та збору даних від БГУ

 

Загальний вигляд файлу звіту проведеного експерименту зображено на рис. 1.17 

     Рисунок 1.16 − Загальний вигляд файлу звіту роботи системи термостабілізації та інтенсифікації БГУ

 

     Згідно з  рівняння, що узагальнює відносний коефіцієнт тепловіддачі через розмірні величини, апроксимується виразом

   де К – коефіцієнт інтенсифікації, що є відношенням коефіцієнта тепловіддачі віброконвекції до коефіцієнта тепловіддачі при вільній конвекції;

     d – діаметр циліндра теплонагрівального елемента, мм;

    ΔΤ – різниця між температурою стінки нагрівника і середовищем С;

   ΔА – амплітуда коливань нагрівального елемента, мм;

     f − частота коливань нагрівального елемента, Гц.

    В промисловості система автоматизованого контролю за роботою БГУ виготовляється в вигляді шафи з набором елементів для роботи установки: контролера, частотних перетворювачів, автоматичних вимикачів тощо (рис. 1.17).

         Рисунок 1.17 - вигляд шафи з набором елементів для роботи установки.

         Сучасна ситуація змусила нас звернути увагу на альтернативні джерела отримання енергії. Технології отримання біогазу набули широкого застосування в сфері очисти стоків тваринницьких ферм. Новітні технології в конструюванні, застосуванні більш дешевих і практичних матеріалів, автоматизації дозволили зменшити не тільки ступінь очистки стоків ферм, але також дозволили збільшити вихід газу, знизили собівартість та пришвидшили термін окупності біогазових установок – що дозволило поширити їх застосування.

2 Спеціальна частина «Підвищення енергоефективності очистки стоків тваринницьких ферм»

                                  2.1 Методика дослідження

          2.1.1 Визначення виходу біогазу. Для навозу великої рогатої худоби в [1] наведений графік залежності виходу біогазу від тривалості бродіння. За допомогою  програми Graph2Digit графік був цифрований та  на основі результату побудовані графіки виходу біогазу  за поточну добу за формулою:

                                                                                                (1.1)

де         qі – вихід біогазу за поточну добу, мл/л;

            Qі – вихід біогазу на і-ту добу, мл/л;

             T – тривалість циклу бродіння, діб..

            2.1.2  Визначення добового виходу стічних вод.  Визначення об’єму стічних вод для підприємства на 1325 голів рогатої худоби за формулою:

 

                                  Vдоб.  = (Vд.к•Nд.к+Vк•Nк)•k;                               (1.2)

 де     Vд.к - вихід сечі та екскрементів дійних корів. За [2] приймається 50 кг/доб.;

  Vк – вихід сечі та екскрементів інших корів. За [2]  приймається 45 кг/доб,  кг/доб.;

   Nд.к – кількість дійних корів, шт.;

   Nк – кількість інших корів, шт.;

   k – коефіцієнт  вмісту інших сполук. За [2] приймається 1.3;

                  Vдоб.=(550•50+775•45)•1.3=93000 кг/доб;

 

                  

2.1.3 Визначення залежності  об'єму реактора від тривалості циклу бродіння. Через те що стічна вода на 90% складається  з води, її загальну густину можна прийняти рівною густині води. Об’єм реактора визначається за формулою:

                                                                                (1.3)

            де      Vдоб. – добовий об’єм стічних вод, м3/добу;

 Т(і) – тривалість циклу бродіння (початкову тривалість циклу  бродіння для мезофільного режиму рекомендовано приймати 10 діб., а для термофільного 5 діб.[1]),

  kр – поправочний коефіцієнт на резерв,його значення прийнято по [2];

     -  1000 кг/м3, густина води.

2.1.4 Визначення виходу біогазу в залежності від циклу бродіння і кількість енергії біогазу даного підприємства,Qб(і):

                                                                             (1.4)

де         Qі – вихід біоґазу за і добу, л/м3;

  Qg – загальний вихід біоґазу до i циклу, м3;

     і – тривалість циклу бродіння, діб.

      Визначення енергії біоґазу, яка виробляється на протязі доби для кожного циклу:

                                                                                    (1.5)

де           - теплота згорання біоґазу ( знаходиться в діапазоні 21…28 МДж/м3). Приймаємо 24 МДж/м3[1];

- ККД когенераційної газової турбіни. ЗА [5] приймається 85%.

 2.1.5 Визначення енергетичних витрат на власні потреби, Нe.в:

                    Не.в п + Нс + Нмех                                                       (1.6)

де  Нпвтрати енергії на підігрівання субстрату до відповідної  температурі бродіння, мДж;

 Нс – втрати енергії у навколишнє середовище, мДж;

 Нмех – витрати енергії на перемішування, мДж;

  2.1.5.1 Визначення втрат енергії на підігрівання субстрату до відповідної  температурі бродіння, МДж/доб., визначається по формулі:

                                                                     (1.7)   

 де      T – тривалість циклу, діб.;

 Vдоб.  - об’єм стічних вод, м3/добу;

 Сс  - середнє значення теплоємності субстрату, МДж/(кг•К),за [2];

  tз.б – температура завантаженої біомаси, приблизно 17 оС;

  tб – температура процесу бродіння, для термофільного – 50…54 оС, для мезофільного 30…34 оС[2].

 2.1.5.2  Визначення втрат енергії від метантенку у навколишнє середовище, МДж: 

                                                                                                               (1.8)

де       Ам – площа поверхні метантенку, м3;

k – коефіцієнт теплопередачі від субстрату у середовище ;

tо.ссередня температура навколишнього середовища, 8 оС[4].

            Як правило, метантенки мають циліндричну форму. Приймаючи відношення висоти метантенка до його діаметра , по значені Vр  можливо визначити Ам;

                                                 Ам=Sбок+2•Sосн.                                     (1.9)

де        Sбок – площа бічної частини метантенку, м2;

Sосн – площа основи метантенку, м2;

                                                                                   (1.10)

                                                                                    (1.11)

де        d – внутрішній діаметр метантенку, м;

    Діаметр метантенку визначається по формулі:

                                                      

                                                                                                                          (1.12)

Коефіцієнту теплопередачі визначається по формулі:

                                                                            (1.13)

де   авз – коефіцієнти теплообміну на внутрішній та зовнішній                                  поверхнях метантенка,Вт/(м2•К)[3];

- товщина стінки та шарів утеплення метантенку[3], м;

- коефіцієнти теплопровідності стінки та утеплювачів метантенку[3], Вт/(м•К);

 Приймаємо залізобетонний метантенк товщиною стінки 0,4 м, теплоізоляція виконана у вигляді шлакобетону (0,1 м) та земляного валу (1 м).

                                
                                          
  

 2.5.3 Визначення витрати енергії на перемішування субстрату, МДж, по формулі:

                                  Нмех=qнорм•Vр•z•3.6                                           (1.14)

де      qнорм – навантаження на мішалку (50 Вт/м3•год.)[2];

Vр – об’єм реактора, м3;

z – тривалість роботи мішалки на протязі доби (приблизно 8 год.)

       2.1.6 Визначення енергії товарного  біогазу Hб(і) і коефіцієнту товарності, Kт:

                                           Нб.(і)б.г(і) – Не.в(і)                                                                            (1.15)

                                                                               (1.16)

         2.1.7 Техніко-економічні розрахунки

        2.1.7.1 Визначення капітальних витрат, K  :  

                                                                   (1.17)

де       Vповн – повний об’єм реактора, м3;

Vр – робочий об’єм реактора, м3;

Z – ціна 1 м3 монолітного залізобетону – [6].

W – потужність газової турбіни, кВт;

Zk- ціна за 1 кВт, приймається за [6], 400$.

  Повний об’єм реактора  зі стінками (0.4 м), dповн=dр+0.8м.

                                  Vполн= Sосн.повн•dповн;                                           (1.18)

                                                                           (1.19)

            2.1.7.1.1 Визначення потужності газової турбіни, W:

                                                                                      (1.20)

2.1.7.2.1Визначення експлуатаційних витрат, С:

                                    С=Zп+Zy+A+Eк.                                             (1.21)

де         Ек – витрати на електроенергію, грн.;

 Zn – заробітна плата, грн.;

           Zy – витрати на обслуговування, грн.;

 A – амортизація

За [5] приймаємо відсоток амортизації 0.05:Тоді

                                     A=Vз.б•0.05.                                                    (1.22)                                  

2.1.7.2.2 Визначення витрат на електроенергію, Eк:

                                                                          (1.23)

  де       Ек – кошти на купівлю електроенергії, грн.;

  3.6 – 1 кВт/год. електроенергії. Перевідний коефієнт від МДж до кВт/год;

  0.28 – ціна електроенегрію, грн.;

  365 – днів у році, діб..

2.1.7.2.3 Визначення заробітної плати, Z:

                                                                  (1.24)

де         Zo – зарплата оператора, грн.;

 Zм– зарплата майстра, грн.;

 Zоп – відрахування на охорону праці, грн.;

Zп.ф– відрахування до пенсійного фонду (0.38% від заробітної плати), грн..

 2.1.7.2.4 Визначення витрат на обслуговування БГУ, Zy, за [7] приймаємо 0.16:

                                               Zу=А•0.16.                                         (1.25)            

2.1.8  Визначення прибутків та терміну окупності БГУ

2.1.8.1 Визначення прибутків від продажу біодобрива та біоґазу у мережу, Gs грн.:

                                             Gs=Eдг                                                         (1.26)

           де             Eд – прибуток від продажу біодобрив, грн;

           Ег – прибуток від продажу електроенергії, грн.

           2.1.8.1.1 Визначення прибутку від продажу електроенергії по зеленому тарифу, Ег:

                                                                   (1.27)

                                                                

де        2,7 пільговий коефіцієнт за скид зеленої енергії у мережу від БГУ, грн.[8].

 2.1.8.1.2 Визначення прибутку від продажу біодобрив, Ед:

                                                   (1.28)

                                                             

де           10 -  кількість сухої речовини у шламі, %;

Zбіо – ціна 1 т шламу, грн.

                                 

  1.  Визначення очікуваного прибутку від БГУ з урахування інфляції, Кд:

                                                              (1.29)

 де           7.5% – коефіцієнт інфляції згідно НБУ[8].

  1.  Визначення приведених витрат, П:

П=С+Ен•К                                                                (1.30)

де               С – експлуатаційні витрати;

          Eн - нормативний коефіцієнт ефективності;

          К – капітальні затрати на будівництво.

        2.1.8.1.5 Визначення терміну окупності, То:

                                                                                               (1.31)

де   IC – первісні інвестиції, IC=К, грн.;

Р – очікуваний щорічний прибуток, що  планується, P=Gs, грн.         

                           2.2 Обговорення результатів

                  2.2.1 Дослідження залежності виходу біогазу від тривалості   циклу бродіння. На базі даних розрахунків у пункті 2.1, результати наведені у  додатку 1, було побудовано графіки залежності виходу біогазу від тривалості циклу бродіння, для термофільного та мезофільного  

        Для обох режимів  максимальний вихід біогазу спостерігається на 14 добу, але вихід біогазу при термофільному режимі майже в двічі більший ніж при мезофільному.

           2.2.2 Дослідження коефіцієнту товарності від тривалості циклу завантаження. Однім із ключових чинників для порівняння результатів для визначення оптимального режиму є визначання коефіцієнту товарності розрахованого по пункту 2.1.6  та результати наведені у додатку 4. Під коефіцієнтом товарності розуміють відношення енергії товарного біогазу до загальної енергії біогазу що виробляється).

            Енергія товарного біогазу розрахована по пункту 2.1.6 та являє собою різницю між енергією, яка може бути отримана з біогазу та енергією яка витрачається на власні потреби установки.

              Перетворення потенційної енергії  біогазу в електричну, пропонується за допомогою газової турбіни з застосуванням принципу когенерації – використання тепла вторинних газів від турбіни для попереднього підігріву газової суміші.  При цьому ККД установки може бути підвищено від 35% без використання когенерації, до 85%.

             Енергія, яка може бути отримана при спалюванні біогазу, розрахована по пункту 2.4 результати наведені в додатку 4.

              Енергія на власні потреби установки розрахована по пункту 2.1.5  та результати наведені у додатку 2. На базі цих даних побудовано графік залежності коефіцієнту товарності від тривалості циклу завантаження:

       Як видно з наведених даних, коефіцієнт товарності отриманий для  мезофільного  режима ( 15% ), майже в тричі більший ніж  для термофільного (5%).  

       Така різниця пояснюється тим, що у хоч у термофільному режимі більший вихід біогазу, але біогазова установка потребує більших експлуатаційних витрат енергії на власні потреби ніж при мезофільному.

        

          2.2.3 Дослідження чистого доходу від тривалості циклу завантаження. Порівнюючи чистий дохід з урахуванням інфляції від установки, який включає в себе різницю між прибутками розрахованими по пункту 2.8 результати наведені у додатку 5 та експлуатаційними витратами на обслуговування АГУ  розрахованими по пункту 2.1.7.2 та результати наведені у  додатку 5. Прибутки від експлуатації БГУ включають в себе прибутки від продажу біодобрив та продаж електроенергії по зеленому тарифу у мережу. Експлуатаційні витрати включають в себе амортизацію, заробітну плату та кошти на обслуговування БГУ.

            По цим даним побудовано графік залежності чистого доходу від тривалості циклу бродіння:

         Максимальний чистий дохід для термофільного режиму  може бути отриманий при тривалості циклу завантаження  15 діб. та становить 288 тис. грн., а для мезофільного - 18 діб. і становить 360 тис. грн.

         Така різниця пояснюється тим, що мезофільним режим потребує менших експлуатаційних витрат на обслуговування біогазової установки та більша кількість енергії може бути отримана за скид електроенергії у мережу.

           2.2.4 Дослідження приведених витрат від тривалості циклу бродіння. Приведені витрати розраховані   по пункту 2.8.3 та результати розрахунків наведені у додатку 6. Вони складається з капітальних витрат та експлуатаційних витрат. Левову частку капітальних видатків становлять витрати коштів на будування БГУ пункт розраховані по пункту 2.7.1 та витрати коштів на газову турбіну розраховані пункту 2.7.1.1 та результати наведені у додатку 7.

           На базі цих даних побудовано графік залежності приведених витрат від тривалості циклу завантаження:

          Для оптимальних тривалостей циклу приведені витрати становлять для мезофільного 362 тис. грн. та для термофільного 365 тис. грн.

         Така різниця пояснюється тим, що при термофільному режимі утворюється більша кількість енергії, а тому потрібно використовувати більш потужну газову турбіну, яка в свою чергу має більшу вартість.

           Отриманий параболічний вигляд графіків з екстремумами  пояснюється тим, що на ранніх стадія процесу бродіння кількість отриманої енергії від біогазу дуже мала та вона не покриває енергетичних витрат установки, а тому ми повинні закупати електроенергію з мережі, що в свою чергу тягне підвищення експлуатаційних витрат.

         2.2.5 Дослідження терміну окупності проекту від тривалості циклу завантаження. Заключним пунктом визначання оптимального режиму являє розрахунок термінів окупності які розраховані по пункту 2.1.8.4 та результати наведені у додатку 6, на базі цих даних побудовано графік залежності терміну окупності БГУ від тривалості циклу завантаження:

         Для оптимального режиму термофільного процесу бродіння термін окупності становить 4.73 років, та для мезофільного 3.59.

              Мезофільний режим має майже однаковий термін окупності на протязі тривалостей циклів 15-18 через те що прибуток за скид електроенергії у мережу  приблизно однаковий, а у термофільному режимі прибуток менший через те що, виробляється у рази менше електроенергії на скид у мережу.

                                   

                        

                                                   Висновки

         1. Залежність виходу біогазу від тривалості показали, що максимальний вихід біогазу спостерігається на чотирнадцяту добу, але при термофільному процесі максимальний вихід біогазу майже в двічі більший.

         2. Для оцінки найбільш енергроефективного режиму було визначено коефіцієнт товарності від тривалості циклу завантаження, він показав, що мезофільний режим на 10% більш ефективний. Це пояснюється меншими витратами енергії на власні потреби установки, хоча максимальний вихід біогазу більший у термофільному. Оптимальна тривалість циклу мезофільний – 18 діб., термофільний 15.

           3.    Максимальний  дохід з урахуванням інфляції від тривалості циклу завантаження показав більший максимальний дохід може бути досягнутий у мезофільному режимі.

           4. Результати розрахунків приведених витрат показали, що мезофільний режим має кращі вартісні показники.

           5.  Розрахунки термінів окупності проекту від тривалості циклу завантаження показали, що мезофільний процес має менший термін окупності через менші капітальні та експлуатаційні витрати.

            6. На базі вище перерахованих даних оцінки економічної ефективності очистки стоків ферми ВРХ, можливо зробити висновок що найбільш ефективно очищати стоки у мезофільному режимі, через те що отриманий прибуток не тільки більший  на 72 тис. грн. , але також і менший термін окупності проекту на 1.13 років.

                                              Література

1. Барбара Эдер, Хайнц Шультц «Биогазовые установки. Основы планирования. Строительные работы. Типы установок. Экономическая целесообразность.»

2. Ратушняк Г. С, Джеджула В.В, Анохина  К.В.   «Энергосбережение. Восстанавливаемые источники энергии.»

3. В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер. «Биогаз. Теория и практика.»

        4. www.gismeteo.ua

5. www.gendocs.ru

        6. www.ua.all.biz

          7.  www.topknowledge.ru

          8.   www.bank.gov.ua

                                                        


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63187. Узагальнення матеріалу з теми «Життя людей за первісних часів» 21.58 KB
  Після цього уроку учні зможуть: називати основні поняття із якими ознайомилися впродовж вивчення теми; називати хронологічні межі палеоліту неоліту енеоліту та бронзового віку основні заняття людей за різних періодів первісного суспільства...
63190. Громадянство України 26.18 KB
  Мета: розкрити зміст понять громадянин громадянство; ознайомити учнів з основними нормами Закону України Про громадянство України; навчити розрізняти статус громадянина іноземця особи без громадянства...
63191. Утворення Єгипетської держави 30.29 KB
  Мета: ознайомити учнів із природними умови та розташуванням Давнього Єгипту розглянути процес утворення держави в Давньому Єгипті; визначити функції держави в єгиптян; удосконалити навички роботи учнів у групах.
63192. Право на освіту 25.15 KB
  Мета: розкрити юридичний зміст права на освіту в Україні; ознайомити учнів із системою освіти; зясувати права та обовязки учасників навчального процесу; виховувати бажання поповнювати свої знання.
63193. Узагальнення знань за темою «Київська Русь наприкінці X — у першій половині XI ст.» 8 MB
  Мета: повторити та узагальнити матеріал, вивчений учнями з теми «Київська Русь наприкінці X - у першій половині XI ст.», підготуватися до тематичного оцінювання; розвивати в учнів уміння аналізувати та узагальнювати історичні факти...