Енергетична модель біоенергетичної установки, що працює в накопичувальному режимі
Енергетична ефективність біогазових установок визначається в основному двома чинниками: величиною витрат енергії на підтримку процесу анаеробного зброджування і енергетичною ефективністю використання отримуваного біогазу. Під енергетичною ефективністю використання отримуваного біогазу розуміється співвідношення між енергією, що відпускається біоенергетичної установкою на бік, і енергією, потреб -1 неушкодженої на власні потреби установки [122].У зв’язку з цим виникає необхідність аналізу енергетичних потоків, шо проходять через накопичувальну біоенергетичну установку (рис. 7.1.).
|
Рис. 7.1. Схема енергетичних потоків біоенергетичної установки в накопичувальному режимі роботи: Егн — енергія, ув’язнена у вихідному гної;Есуб — енергія, укладена в збродженій субстраті; Енав — енергія, що витрачається на нагрівання гною і підтримання температурного режиму в біореакторі; ЕНавк — енергія теплоти, що відходить у навколишнє середовище через стінки біореактора і |
огороджуванні конструкції;Е1ш1 — енергія, укладена в органічному речовині шламу; Eq шл — енергія теплоти, що виходить з вивантажуються шламом; Eq g — енергія теплоти, що виходить з виділяється біогазом; Еь — енергія біогазу.
Вхідна частина енергетичного балансу містить кількість енергії, укладеного в збродженій субстраті — ЕСуь- Вона визначається як різниця енергії, укладеної у вихідному гної Ерн та енергії, що витрачається на нагрівання і підтримання
температурного режиму Енавант
Есуб = Ега — Енав (7.11)
Кількість енергії, що міститься в гною Егн» залежить від виду, статі, породи і способу утримання тварин, раціону їхньої годівлі, методу видалення і зберігання гною та інших факторів, що визначають вил і склад гною. У загальному випадку, кількість енергії, що міститься в субстраті, потенційно що використовується в процесі анаеробного зброджування, визначається енергією органічної речовини, тобто основних складових — білків, жирів і вуглеводів:
Егн = Ебел + ЕЖ]Р + Ев/гл (7.12)
Енавантаж залежить від кількості енергії, необхідної для нагрівання зброджуваного субстрату і для підтримки робочої температури зброджування в реакторі ЬОУ:
Е/мв = У ((’ш > ст > (’шш > свод hbP> ^/ // ’ ) (7-13)
де Gih — маса зброджуваного гною, кг; СП! — питома теплоємність гною, Дж/кг К; Овол — маса води, що додається, на гній, кг; Сцод — питома теплоємність води, Дж / КГК; tcBP — робоча температура зброджування, К; tra — температура надходить гною, К; їВод — температура води, К.
Вихідна частина енергетичного балансу ділиться на п’ять потоків:
— потік Eqokp, що йде в навколишнє середовище через стінки біореактора і огороджувальні конструкції;
— ПОТІК Ещл, що виходить у вигляді теплової енергії, укладеної в органічному речовині шламу;
— ПОТІК енергії теплоти Eq шл виходить з вивантажуються шламом;
— потік енергії теплоти Eq6, що відходить з біогазом;
— потік енергії Еб, укладеної в біогазі.
Потік Eq окр, що витрачаються на підтримку робочої температури зброджування в біореакторі, обумовлений втратами тепла через стінку і конструкцію, що захищає БОУ, товщини стінки біореактора і застосовуваного теплоізоляційного матеріалу, температури навколишнього повітря і його швидкості, площі, яка віддає тепло поверхні біореактора:
Eqokp f ^ » ^сбр ’ ^окр ’ Дгт ’ ^ст ’ ^вазд ’ (7 14)
де т — час роботи БЕУ; к — коефіцієнт теплопередачі, що визначається середню швидкість передачі тепла вздовж всієї поверхні теплообміну, Вт/(м2К); tc6p — температура зброджування, К; t0Kp — температура навколишнього середовища, К; — коефіцієнт теплопровідності, Вт / (м К); 5СХ — товщина стінки і теплоізоляції біореактора, м; WnOB — швидкість повітряних потоків, м /с; F — поверхня теплообміну, м2.
Енергія, увязнена, в шламі Ец^ містить енергію органічної речовини Еор і енергію анаеробних метанобразуючих
мікроорганізмів Едм, що ке розклалася та повністю залишаються у вивантажуваному шламі:
^ШЛ — Эор + ЭАМ (7.15)
Потік енергії теплоти EQniJ1 виходить з вивантажуваним шламом
3j-.=/(fiJ (7.16)
Quui = ^ІШ СШЛ І^СБГ ~ ІЦАВК ) (7.17)
Відповідно, потік енергії теплоти Eq6, що відходить з біогазом:
E06=f(Qum) (7.18)
Qb = °бсб((свр -*НАВК) (7.19)
При аналізі якості прийнятих експлуатаційних і технологічних рішень організації процесу конверсії в біоенергетичної установки виходять, як правило, з обсягу одержуваного біогазу [80J. При цьому не враховується, що енергетична цінність будь-якого енергоносія залежить від його якості. Щодо біогазу якість його визначається співвідношенням основних компонентів — метану СЩ і вуглекислого газу С02 — Інші компоненти — сірководень, аміак, кисень — становлять незначну частину біогазу — 1 …3% [10] і на теплотехнічні властивості його як палива практично не можуть зробити впливу.
Вуглекислий газ є негорючим компонентом біогазу і може бути віднесений до внутрішнього баласту. Наявність баластної частини збільшує обсяг біогазу та зменшує його теплову цінність. Не враховувати цього неможна, так як оцінка роботи біоенергетичної установки тільки за об’ємною показником може призвести до помилкових висновків [44]. Важливий вплив на якість біогазу, одержуваного в накопичувальному біореакторі, надають оптимальна температура зброджування, вологість вихідного субстрату, доза його завантаження, час витримування в метантенке. Щоб отримати біогаз хорошої якості в біоенергетичної установки, необхідно витримувати зброджуваний субстрат протягом тривалого часу, за яке відбудеться достатній приріст метанобразуючих бактерій і обробка ними завантаженої дози субстрату. Для цього, по — видимому, слід робити завантаження з деякою періодичністю П3.
Виходячи з цього, для енергії біогазу ЕБ можна записати наступну функціональну залежність:
EB=f{Ws, CP) (7.20)
де WB — обсяг отримуваного біогазу, м3; Ср — ступінь розкладу
органічної речовини,%.
У свою чергу’, обсяг одержуваного біогазу залежить:
Н’в=АСсуб, В,ісбр, П3) (7.21)
де В — вологість зброджуваного субстрату’,%. Або можна записати:
Es=f(GcyE, B,tCBP, n3,CF) (7.22)
Таким чином, отримуємо енергетичну модель, що дозволяє в залежності від кліматичних та господарських факторів, з
урахуванням незмінних конструктивних параметрів, визначати енергетичну ефективність роботи біоенергетичної установки, тобто вихід товарного біогазу Е-р
Еб — Mej, K — Ег, — Ешл — E,
Ern Еш + ЕЖИРИ + Евугл
Ehab ~ f (GrH, crH, GB0Jt, свод ґсьг, tH4BK, ґВОд)
EQhabr ~ f&’k’ tCEP, tmBK, Acr, SCT, ^возд > F)
Emn ~ l>p + Еш
V, — / (^Ш7 > сшл > Gep > him к )
Й, — 7(G/, 5 , tCBP, tmBK)
^7 = EB ~ Ehab
Для визначення ЕНЛВАНТАЖ слід розгляну ти теплові потоки, які проходять через накопичувальну біоенергетичну установку.