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

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.