Котельные. Возобновляемой энергетики

• Название: Возобновляемой энергетики
• Анкор: Котельные
• Дата: 16.03.2023
• Размер: 143.54 Kb.
• Имя файла: 4,3.docx
• Тип: Документы; #994857

Необходимо выполнить расчетную работу по теме возобновляемой энергетики:

Энергетические установки для получения биогаза. Расчет биогазогенератора:

1. Изложить основные критерии расчета для получения биогаза из разных источников биомассы

Для расчёта основных параметров биогазовой установки необходимо найти значения следующих показателей:

1. Суточный выход экскрементов, кг:

,

где  - количество животных, гол;

- удельный выход экскрементов в сутки.

Если навоз загружается с подстилкой, необходимо применять поправочный коэффициент К, учитывающий органическую массу под­стилки. Тогда



2. Определяют долю сухого вещества (СВ) в загружаемом материа­ле:



где   - влажность массы экскрементов, %.

В расчетах можно принять, что средняя влажность навоза КРС составляет 85...90%, свиней 88...92%, помета кур 73...76%.

3. Определяют долю сухого органического вещества (СОВ) в навозе:



где   - доля СОВ в сухом веществе навоза.

4. Определяют выход биогаза при полном разложении СОВ навоза, м³:



где  - выход биогаза из 1 кг СОВ различного исходного материала, м³/кг. Например, для навоза бычков выход газа, отнесённый к массе составляет 0,315 м³/кг, для навоза свиней – 0,415 м³/кг и т.д.

5. Определяют объем полученного биогаза при выбранной продолжительности метанового брожения, м³:



где  - доля выхода биогаза от исходного материала при данной продолжительности метанового процесса, % (см. таблицу 7.4).

6. Если объем метантенка предварительно не определен, то расчет продолжается в следующем направлении.

Находят объем метантенка, м³:



где   - рекомендуемый объем загрузки СВ в сутки, кг/м³ (см. таблицу 7.4)

Объем метантенка  необходимо согласовывать с объемом полной загрузки:



где  - суточная загрузка метантенка, кг/сут;

- продолжитель­ность процесса брожения, сут.;

 — удельная плотность сбраживае­мой массы, кг/м³.

Удельную плотность навоза можно считать равной удельной плотности воды, так как влажность навоза обычно более 90%.

Если  << , то значительная часть метантенка использоваться не будет. Метантенк - наиболее капиталоемкий элемент био­газовой установки, и понятно, что такой вариант экономически будет проигрывать.

При  = могут возникнуть проблемы со сбором биогаза, так как пена, образующаяся в процессе брожения, будет забивать канал сбора биогаза. Желательно, чтобы соотношение  / составляло 0,7...0,9.

Если собираются применять стандартный метантенк, то останавливаются на ближайшем большем его объеме; для индивидуального метантенка проводят соответствующие расчеты. Рекомендуется вы­бирать метантенк цилиндрической формы. Для удобства сбора шлама и биогаза верхнюю и нижнюю части метантенка выполняют в виде усеченного конуса с горловиной в верхней части. Определяется способ перемешивания сбраживаемой массы (механическое перемешивание, барботаж).

Далее проводится тепловой расчет метантенка:

7. Количество теплоты, необходимое для подогрева загружаемой массы до температуры брожения в сутки, МДж:



где С_с- средняя теплоемкость субстрата, МДж/кг°К;

 - температура процесса брожения, °К;

 - температура загружаемого субстрата, °К;

 - коэффициент полезного действия процесса;

Температура загружаемой массы зависит от способа загрузки навоза в метантенк: если масса поступает непосредственно из животноводческого помещения, то температура ее будет такой же, как внутри помещения; если массу берут из навозохранилища, то ее температура зависит от наружного воздуха. Для расчётов можно принять Т_заг=288°К, среднюю теплоемкость навоза 4,18∙10^-3 МДж/кг∙°К, коэффициент полезного действия процесса – 0,7.

8. Количество теплоты, теряемое субстратом в процессе теплоотдачи через стенку реактора в окружающую среду за час, Вт:



где k - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²·°К;

- температура окружающего воздуха, °К;

F - площадь поверхности теплообмена метантенка, м²;



где 1/α₁ 1/α₂ - термическое сопротивление теплоотдачи от субстрата к внутренней поверхности стенки метантенка и от внешней поверхности теплоизоляции метантенка к окружающей среде;

-суммарное термическое сопротивление теплопроводности материала стенок метантенка  и теплоизоляции . Если теплоизо­ляция многослойна, в расчетах учитывается каждый слой.

Потери теплоты через стенки реактора рассчитываются для самых холодных и тёплых суток года (например  =-30°С и  =+20°С), далее для приближенных расчетов можно считать, что тепловые поте­ри в среднем за сутки года равны среднеарифметическому этих вели­чин.

9. Определяют затраты энергии на перемешивание биомассы  . На основании экспериментальных данных затраты энергии на перемешивание механическими мешалками можно принять равными 30...60 Вт/м³ при режиме 4 ч работы и 7 ч паузы.

10. Общие затраты энергии на поддержание процесса в сутки:



где   - время работы механической мешалки в сутки.

11. Потенциальные запасы энергии биогаза, выработанного в сутки:



где   - теплотворная способность биогаза, МДж/м³.

12. Энергетический эффект установки:



13. Коэффициент товарности биогазовой установки:



2. Произвести расчет производства биогаза на основе выбора типа биомассы

Суточный выход биомассы для сбраживания в метантенке определяется по формуле:



где N_i количество животных определенной видовой и возрастной группы в ферме;

m_j - суточный выход навоза или помета от одного животного или птицы;

n - количество групп животных.

n = 3

N₁ = 150*0,50 = 75 гол. m₁ = 35 кг/сут

N₂ = 150*0,2 = 30 гол. m₂ = 15 кг/сут

N₃ = 150*0,3 = 45 гол. m₃ = 10кг/сут

m_сут = 75*35+30*15+45*10 = 3525 кг/сут

При ежедневной уборке чистого навоза его влажность доходит до 95%. Если уборка осуществляется периодически, то в навозе содержится 12-18% подстилки (опилки, сухой песок, солома); 12-30% остатки корма; 18-20% грунта и других примесей. Для приближенных расчетов содержание прочих примесей учитывается коэффициентом К_п=1,3-1,6.

При этом в зависимости от температуры окружающей среды и содержания сухих примесей влажность отходов снижается на 10-15% (за 3-5 дней). С учетом коэффициента К_п суточный выход навозной массы определяется по формуле:



где К_п - принимаем равным 1,5.



кг/сут

Масса сухого вещества в навозе m_с.в.:



;

где W% - влажность навоза (для свежего навоза W_св=90-95%; для навозной массы через 3-5 дневного сбора W=80-85%; через неделю в бурте на открытом воздухе W=65-70%)

Если принять W_св=85%, тогда



кг/сут

Масса сухого органического вещества m_сов:



где Р_с.о.в - содержание сухого органического вещества; в навозе составляет 77-85%, если принять Р_с.о.в=80%, тогда



кг/сут

Выход биогаза при неполной продолжительности сбраживания, V_в.б.н.



V_пол.б.- выход биогаза при полном сбраживании. n₁ - степень сбраживания субстрата, n₁=60-70%.

Выход биогаза при полном сбраживании -

V_пол.б.=m_c.o.в*n_ск=634,5*0,315=200 м³.

n_с.к - средний выход биогаза с 1 кг органического вещества n_с.к?0,315 м³/кг.



Выход биогаза при неполном сбраживании м³.

Для брожения влажность доводим до 92%. Чтобы увеличить влажность биомассы на 1%, на одну тонну навоза надо добавить 100 литров воды. При доведении влажности ежесуточного общего выхода навоза с 85% до 92% вес массы навоза составит:



3525+3525•0,7=6000 кг

Объём метантенка при полной загрузке:



м3

принимаем один реактор объемом 90 м³

Тепловой расчет реактора.

Потеря теплоты в метантенке определяется по формуле:

Q_т.р.=Q_п+Q_о.с.+Q_мех.

где Q_п- потери теплоты на подогрев биомассы при температуре брожения;

Q_о.с. - потери теплоты в окружающую среду;

Q_мех - расход энергии на перемешивание биомассы в процессе брожения.

Количество теплоты, которая расходуется на подогрев биомассы загруженной на протяжении суток до температуры брожения, МДж/сутки, равно:



Q_п= *С_с*(t_б-t_з.м) 86400

m_сут - суточная загрузка биомассы доведенной до влажности 90-92%;

С_с - теплоемкость субстрата (принимается равной теплоемкости воды - 4,18*10-³ МДж/(кг*К));



, при = =



?С

Q_п=6000•4,8•10^-3 •(50-20)=752,4 МДж/(кг•К•сут)

Теплопотери от метантенка в окружающую среду, Вт, определяется по формуле:

Q_о.с=к*F*(t_б-t_о.с)•86400.

где к - коэффициент теплопередачи от биомассы находящейся в реакторе к окружающей среде, Вт/(м²*К).

F - площадь наружной поверхности реактора, м².

t_о.с - температура окружающей среды, °С.( t_о.с=7,1°С)

t_Б - температура биомассы, °С.( t_б=50°С)

Для цилиндрических реакторов, принимая отношение высоты к диаметру H/D=0,9…1,3 по значению V_р можно найти F. принимая H=1,2D находим



;:

   

м

Н=1.2•4.57=5.5м

м²

Коэффициент теплоотдачи от биомассы в реакторе к окружающей среде, Вт/(м²*К)



;

б_в и б_н коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхностях метантенка, Вт/(м²*К). Учитывая, что скорость движения биомассы в процессе её механического перемешивания незначительна (0,5…1 м/мин) можно считать, что процесс теплообмена на внутренней поверхности метантенка происходит при условиях свободной конвекции. С небольшой погрешность то же самое можно принять для теплоотдачи от наружной поверхности теплоизоляции к окружающей среде (в землю, воздух в закрытом помещении, теплоизоляционный слой и т.д.).

Определяем коэффициент теплоотдачи со стороны биомассы (или воды в водяной рубашке) по упрощенной формуле Нуссельта:



,

где В' рассчитывается по приближенной формуле:

В'=5700+56t_б-0,09t_б².

t_б - температура биомассы в реакторе (или воды в системе обогрева). Дt=t_б-t_ст1.

Зная, что температура внутренней поверхности наружной обечайки реактора и биомассы (воды в системе обогрева) могут отличаться очень незначительно, температуру внутренней поверхности наружной обечайки t_ст1 принимаем t_ст1=49,5 °С (при обогреве биомассы водяной рубашкой), Дt=t_ст1-t_б=50,0-49,5=0,5 °С. H - высота реактора рассчитанная выше (H=5,5 м).

Тогда: В'=5700+56*50-0,09*50²=8275.



Вт/(м²*К).

После расчета В' и б₁ находим ориентировочную температуру стенки с наружной стороны (со стороны изоляции или земли).



Здесь - д_ст - толщина стенки реактора. Для стальных реакторов д_ст=5мм,

л_ст - коэффициент теплопроводности материала, для стали л_ст=40 ккал/м²*ч*град.

(д/л)_загр.- коэффициент загрязненности поверхности. Для стальной поверхности покрытой битумом (д/л)_загр.=1/1500.

q - тепловое напряжение или тепловой поток, q=б₁* Дt.

Зная величины t_ст1, д_ст, л_ст, (д/л)_загр и q находим t_ст2.

q = б₁* Дt=7390•0,5=3695 Вт/м²



°С.

Для расчета коэффициента теплоотдачи от поверхности изоляции к наружному воздуху или земле б₂ необходимо знать температуру t_ст3. т.е. температуру наружной поверхности изоляции, что рассчитывается по формуле:



.

Однако здесь необходимо знать искомую б2. Для приближенных расчетов при tст1<50°C можно принять

.

Дt_изол. - перепад температуры или тепловое сопротивление изоляции, который примерно составляет Дt_изол.=(0,9…0,95) t_ст2.

При Дt_изол.=0,95t_ст2=0,95*42,7=38,43°С.

= 42,7-38,43=4,27 °С.

Ь_Н=9.3+0.465+7vV

примем V=4м/с - скорость ветра

Ь_Н=9.3+0.465•4,27+7v4=25,3 Вт/(м²*К).



Вт/(м²*К).

Q_о.с=111.5*0.198*(50-7.1)•86400=81.83•10⁶Дж/сут=81.83МДж/сут

Расход энергии на перемешивание субстрата в метантенке определяют по формуле:

Q_мех=g_норм*V_р.п.з*t_z

где g_норм - удельная нагрузка на механическую мешалку. В зависимости от размеров и угла наклона лопастей g_норм=(50…80) Вт/м³*час.

V_р.п.з - объём реактора заполненный субстратом, м³. V_р.п.з=90 м³;

t_z - продолжительность работы мешалки.

За сутки t_z=t_z'*n', где t_z' - продолжительность перемешивания за один раз, t_z'=3-5 минут; n' - число перемешиваний, n'=6-12 раз.

Принимаем t_z'=5 мин, n'=12 получим t_z=5*12 = 60 минут =1 час.

Q_мех=80•90•1=7200 Дж/сут=7.2 кДж/сут

Q_т.р.=752,4+81,83+0,0072=834,23 МДж/сут

Тепловая энергия, получаемая из биогаза, выделившегося за сутки:

а) При полном брожении:

Q_б.г=V_пол.б*Нu_б.г

где V_пол.б=200 м³/сутки; Нu_б.г- низшая теплота сгорания биогаза Нu_б.г=22-28МДж/м³.

Q_б.г=200•25=5000 МДж/сут

б) При неполном брожении субстрата:

Q_в.б.н. = 140•25=3500 МДж/сут

Общая суточная выработка энергии БГУ, МДж.

E_Б.Г.У=Q_б.г - Q_т.м =Q_б.г - (Q_п + Q_о.с + Q_мех).

E_Б.Г.У=3500-834,23=2665,77 МДж/сут

КПД БГУ, в %-ах



Считая, что БГУ в год останавливается на техническое обслуживание и ТР не более 20 дней, экономию условного топлива, за счет полученного в течение года биогаза, можно рассчитать по формуле:



кг=31,389 т

Здесь Д_р.г.-дни работы БГУ в году, Д_р.г.=345дн.

3. Произвести подбор биогазогенератора

Выбираем установку с названием ИБГУ-1