Одним из перспективных и бурно развивающихся направлений в энергетической отрасли является использование нетрадиционных и альтернативных видов энергии. Возможность применения биогаза становится все более актуальной в мировой практике. По имеющимся данным рынок биотоплива имеет ежегодный прирост от 20 до 25 %, поэтому в странах с потенциалом для развития производства биогаза все большее внимание уделяется этому вопросу в целях максимально возможного обеспечения человека в различных видах энергии [1].
Использование альтернативного топлива непосредственно связано с энергосбережением, пути и направления развития которого, являются постоянными темами для обсуждения на Международных встречах различного уровня представителей заинтересованных государств. Казахстан имеет все условия для развития нетрадиционных видов энергии, и в частности производства биогаза, что объясняется географическим положением, условиями развития, поэтому эти вопросы нашли отражения в ряде документов, связанных с Планами развития Республики.
В Республике Казахстан принят закон «О государственном регулировании производства и оборота биотоплива», главная цель которого — это максимальное снижение вредных выбросов в атмосферу для обеспечения всех требований по охране окружающей среды. Данным документом регламентируются нормы, определяющие предельные объемы производственных мощностей производства биотоплива, а также устанавливаются квоты на использование пищевого сырья для производства биотоплива [2].
Биогазовые технологии помогают решить целый ряд проблем, среди которых как экологические, так и энергетические (рисунок 1), что только подчеркивает их преимущества, а получение органических удобрений оказывает положительное воздействие на почву [3].
Рис. 1. Решение проблем с помощью биогазовых технологий
Среди основного оборудования биогазовой установки (БГУ) следующее:
- камеры сбраживания (реактор, ферментатор, метантенк);
- нагревательное устройства (теплообменник);
- устройство для перемешивания;
- газгольдер.
Для определения эффективности работы биогазовой установки в первую очередь необходимо определить энергетическую эффективность метантенка, который является самым энергоемким аппаратом в БГУ, так как для обеспечения процесса сбраживания в метантенке требуется поддерживать постоянную температуру, которая должна строго соответствовать принятому режиму брожения [4, 5]. Более эффективны установки с перемешиванием, так как они обеспечивают поддержание сбалансированного процесса брожения сырья (рисунок 2).
Рис. 2. Цели перемешивания в метантенке
Целью исследования было определение энергетической эффективности метантенка. В качестве объекта исследования рассматривали метантенк (с перемешиванием) цилиндрической формы без изоляции.
Источником получения биогаза (биометана) служили продукты метанового брожения органических отходов свинофермы в южном регионе Казахстана. Для достижения поставленной цели проводили тепловой расчет при известных величинах, представленных в таблице 1.
Для проведения теплового расчета опирались на данные [6] при выборе температуры окружающей среды, теплофизические характеристики воды принимали на основании [7].
При определении необходимого количества теплоты для обеспечения процессов брожения следует исходить из того, что эти затраты включают в себя количество теплоты на нагрев субстрата до температуры брожения и потери [8, 9]. На основании этого, проводим весь расчет.
Таблица 1
Исходные данные
|
Величина, обозначение |
Значение |
Единица измерения |
|
Площадь метантенка, |
466 |
м2 |
|
Высота метантенка, |
12 |
м |
|
Диаметр метантенка, |
4,5 |
м |
|
Масса подогреваемого органического субстрата, |
20000 |
кг |
|
Масса субстрата в метантенке, |
200000 |
кг |
|
Низшая теплота сгорания биогаза, |
23,8 |
кДж/кг |
|
Продолжительность процесса метанового сбраживания, |
12 |
дней |
|
Удельная массовая изобарная теплоемкость субстрата, |
4,18 |
кДж/(кг·К) |
|
Температура процесса сбраживания, |
37 |
оС |
|
Теплопроводность субстрата, |
0,60 |
Вт/(м·К) |
|
Динамическая вязкость субстрата, |
0,37 |
Па·с |
|
Коэффициент объемного расширения субстрата, |
0,0075 |
1/К |
|
Расход сетевой воды, |
0,8 |
кг/с |
Температуру нагрева субстрата 
, 1/с, определяли по формуле:
, (1)
где 
- площадь поверхности метантенка, м2;
- коэффициент теплопередачи от субстрата воздуху (задаемся последующим уточнением), кВт/(м2·К);
- продолжительность процесса метанового сбраживания, с.
Затраты теплоты для нагрева субстрата 
, кДж:
, (2)
где 
- температура субстрата, оС.
Коэффициент теплоотдачи от субстрата к стенке 
, Вт/(м2·К):
, (3)
где 
- критерий Грасгофа, рассчитываемый при температуре субстрата [10];
- критерий Прандтля, определяемый при температуре субстрата [10].
Коэффициент теплоотдачи от наружной стенки метантенка в окружающую среду (воздух) 
, Вт/(м2·К):
, (4)
где 
- коэффициент теплопроводности воздуха [11].
Коэффициент теплопередачи , Вт/(м2·К):
, (5)
где 
- коэффициент теплоотдачи от наружной стенки метантенка в окружающий воздух излучением, Вт/(м2·К);
- коэффициент теплопроводности стенки метантенка, Вт/(м·К);
- толщина стенки метантенка, м.
Полученное значение коэффициента теплопередачи сравниваем с ранее принятым, в случае несовпадения производим перерасчет методом последовательного приближения до совпадения значений.
Потери в окружающую среду 
, кВт:
, (6)
где 
- средняя температура субстрата, оС;
- температура окружающей среды [6],оС.
Количество теплоты, передаваемое субстрату в процессе его брожения 
, кВт:
. (7)
Термический КПД метантенка
:
. (8)
Полученный результат показал, что термический КПД метантенка без тепловой изоляции с мешалкой составляет 0,18 для рассматриваемых климатических условий (среднегодовая температура меньше 15 оС).Поэтому необходим выбор и расчет оптимальной толщины изоляции для эффективной работы в течение всего года, что позволит повысить КПД метантенка.
Литература:
1. Альтернативная энергетика // Обзор рынка Казахстана http://www.bioethanol.ru/Legislation/kazakhstan/ URL: http://alt-energetic.ucoz.ru/ (дата обращения: 25.04.2014).
2. ЗАКОН РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН // Закон Республики Казахстан от 15 ноября 2010 года № 351-IV «О государственном регулировании производства и оборота биотоплива» (с изменениями и дополнениями по состоянию на 13.01.2014) URL: http://online.zakon.kz/Document/?doc_id=30851504 (дата обращения: 25.04.2014).
3. Инженерный центр ПРОГРЕСС URL: http://www.ec-progress.ru/ (дата обращения: 25.04.2014).
4. Веденеев А. Г., Маслов А. Н. Строительство биогазовых установок. — Бишкек: Типография «Евро», 2006. — 28 с.
5. Веденеев А. Г., Веденеева Т. А. Биогазовые технологии в Кыргызской Республике — Бишкек: Типография «Евро», 2006. — 90 с.
6. СНиП РК 2.04–01–2010 Строительная климатология.
7. Ривкин С. Л., Александров А. А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Энергоатомиздат.1984. — 80 с.
8. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика. — М.: Колос, 1982. — 148 с.
9. Проект биогазовой установки. Сайт Компания «Биокомплекс» URL: http://biogaz-russia.ru (дата обращения: 25.04.2014).
10. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. — М.: Энергоатомиздат., 1981. — 417 с.
11. Александров А. А., Клименко А. В., Зорина В. М. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. — 3 изд. — М.: изд-во МЭИ, 2001. — 561 с.
