Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» ПРИМЕНЕНИЕ БИОГАЗА В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Ст.научный сотрудник кафедры «ДВС», кандидат технических наук Кравченко Сергей Александрович Профессор кафедры «Химической техники и промышленной экологии» кандидат технических наук Зинченко Марина Георгиевна Международная выставка-конференция «Энергофорум-Харьков. Электрооборудование, энергосбережение» WasteECo марта 2012 г. г. Харьков

Во многих странах широко применяются биоэнергетические комплексы, использующие в своей основе технологию анаэробного (метанового) сбраживания навозных стоков сельскохозяйственных предприятий. В результате такой переработки получают биогаз, который можно использовать как моторное топливо для двигателей внутреннего сгорания для выработки тепла и электроэнергии, и высококачественные органические удобрения, которыми являются твёрдая и жидкая фракция продуктов брожения. Кроме того, переработка навозных стоков анаэробным сбраживанием предотвращает загрязнение грунтовых вод, водоёмов и заражение почвы гельминтами и болезнетворными бактериями. Несмотря на многие положительные стороны, строительство таких комплексов как очистных сооружений крупных сельскохозяйственных предприятий с использованием получаемого биогаза в качестве альтернативного возобновляемого источника энергии, широкого распространения на территории Украины не получили. Это связано с тем, что в настоящее время не уделяется должного внимания природоохранным мероприятиям и не разработаны механизмы льготного кредитования строительства биоэнергетических комплексов. Актуальность проблемы

Используя опыт создания установок по выработке биогаза, описанный в работе Семененко Ивана Васильевича «Проектирование биогазовых установок», с применением технологий метанового сбраживания, защищённых патентами НТУ «ХПИ», в Харьковском политехническом институте разработан проект автономного когенерационного комплекса по обеззараживанию отходов сельского хозяйства с получением биогаза и высококачественных органических удобрений. Опыт проектирования биоэнергетических центров

НТУ ХПИ совместно с ОАО НПО им.Фрунзе (г.Сумы) была разработана технология биологической конверсии отходов животноводства с получением биогаза и сброженной массы, имеющей свойства удобрений. В 1985 г. в г.Сумы была построена установка БИОГАЗ-301С для утилизации отходов свинофермы с поголовьем 3000 животных. Установка стабильно работала до 2000 года, пока не была ликвидирована свиноферма. Биоэнергетический комплекс «БИОГАЗ-301С» Биоэнергетический комплекс «БИОГАЗ-301С»

Для разработанного в НТУ «ХПИ» автономного когенерационного комплекса по обеззараживанию отходов сельского хозяйства с получением биогаза и высококачественных органических удобрений выбран термофильный режим анаэробного сбраживания (52-54°С), так как, по сравнению с мезофильным (32- 35°С), он обусловливает более высокую скорость разложения органического вещества, больший выход биогаза. Полученный биогаз, представляющий собой смесь метана (60-70%) и диоксида углерода (40-30%), в дальнейшем очищается, доводится до рабочих параметров и в качестве моторного топлива подаётся в двигатели внутреннего сгорания, а твёрдая фракция перебродившей биомассы является высококачественными органическими удобрениями. Выбор оборудования и агрегатов биоэнергетического комплекса проведён из расчёта, что ежесуточный выход жидких стоков составляет 60,5 м³ – объем, позволяющий получить биогаз в количестве, достаточном для выработки 180 кВт/ч электрической энергии и 190 кВт/ч тепловой. Материальные и энергетические расчеты выполнены на основании методик, изложенных в действующих сегодня в Украине Нормах технологического проектирования (ВНТП – АПК «Навозоудаление») и вышеупомянутой работе И.В.Семененко. Основные технические решения

Более наглядное представление о спроектированном биоэнергетическом комплексе по обеззараживанию отходов сельского хозяйства с получением биогаза и высококачественных органических удобрений дает размещение комплекса на местности, выполненное в программе Archi Cad. Разработанный биоэнергетический комплекс

Наименование параметровЭлектрическая энергия 1Мощность мотор-генератора, (АГ-200С-Т400-1Р). кВт180 2Удельный расход биогаза, нм³/кВтч109 3Суточный расход биогаза, нм³/кВтч2616 4Необходимое количество биомассы (при 87% влажности), м³/сутки60,5 5Количество вырабатываемой электроэнергии, кВт/ч180 6Количество вырабатываемой тепловой энергии, кВт/ч190 7Количество метантенков по 120 м³4 8Количество тепла необходимого для подогрева биомассы, кВт/ч100 9Количество тепла необходимого для поддержания температуры метантенков, кВт/ч 20,5 10Количество затрачиваемой электроэнергии для обеспечения работы биоэнергокомплекса, кВт/ч Количество товарного тепла, кВт/ч60,5 12Количество товарной электроэнергии, кВт/ч20 Характеристики биоэнергокомплекса

От газовой блочной электростанции АГ-200С-Т400-1Р выпускаемой в России получаем 180 кВт/ч электрической и при утилизации тепла выхлопных газов и охлаждающей жидкости 190 кВт/ч тепловой энергии, из которой для предварительного подогрева биомассы и поддержания работы метантенков в термофильном режиме затрачивается 120,5 кВт/ч. Остаток – 60,5 кВт/ч тепловой энергии - может быть использован для бытовых и других производственных нужд. По предварительному анализу электропотребления технологического оборудования, для обеспечения технологического процесса биоэнергокомплекса, а также, бытовых условий обслуживающего персонала потребуется около 160 кВт/ч электрической энергии (88% произведенного количества). Остаток 20 кВт/ч электрической энергии может быть продано как товар. Оценка энергетического баланса биоэнергокомплекса показывает, что энергоемкость технологии анаэробного сбраживания достаточно высока. Основное количество вырабатываемой тепловой энергии затрачивается на обеспечение технологического процесса и компенсацию тепловых потерь, вызванных рассеиванием в окружающую среду, а вырабатываемой электрической энергии на привод перекачивающих насосов и перемешивания биомассы в метантенках. Учитывая низкую концентрацию твёрдой фракции в составе навозных стоков, принимаем удельные физические параметры этих стоков равными параметрам воды. Оценка энергетического баланса

Название работыСтоимость в дол. США Примечание 1Рабочий проект55 000Должен соответствовать всем гостам и стандартам 2Четыре метантенка Изготовлены из металла 3Три ёмкости подготовки биомассы18 500Изготовлены из металла с учётом монтажа 4Газгольдер36 000Отбор газа из метантенков 5Газохранилище15 000Отестовано (покупное) 6Две блочных электростанции80 000Одна резервная 7Котёл-утилизатор20 000Водогрейный. Прямоточный 8Силовой трансформатор3 000Для отдачи и принятия электроэнергии с сети и в сеть 9Трубы, кабели, провода, насосы20 000Зависит от размещения обору- дования на площадке 10Строительные сооружения20 000Блочные сооружения 11Итого Сумма уточняется при разра- ботке ТЭО проекта Предварительные финансовые затраты

п/пТоварная продукция Предварительная стоимость в дол.США Объём реализации продукции за год в дол. США Примечание 1Электроэнергия 20 кВт/ч0, Если удастся офор- мить зелёный тариф. 2Тепловая энергия 60,5 кВт/чНеликвид. Использо- вать на собственные нужды. 3Обезвоженный шлам – 1042,6 т в год Органические удоб- рения. Готовы брать за рубеж. 4Жидкие стоки – 2051,4 т в год Органические удобре- ния. Неликвид. Использовать на полив. 5Итого Экономический эффект биоэнергокомплекса

На основании вышеприведённых данных была выполнена детальная проработка размещения с привязкой на местности комплекса по обеззараживанию отходов сельского хозяйства с получением биогаза и высококачественных органических удобрений с учётом всех требований, предъявляемых действующей в Украине нормативно-технической документации. 1. СНиП II–89-80 Генеральные планы промышленных предприятий. 2. СНиП Промышленный транспорт. 3. ВНТП-81 Нормы технологического проектирования тепловых электрических станций. 4. СНиП II Электростанции тепловые. 5. ДБН В :2007 Автостоянки и гаражи для легковых автомобилей. 6. ДБН В Газоснабжение. 7. СНиП Канализация. Наружные сети и сооружения. 8. ГОСТ ССБТ. Эксплуатация водопроводных и канализационных сооружений и сетей. Общие требования безопасности. 9. ДБН В Защита от пожара. Пожарная безопасность объектов строительства. Размеры площадки, необходимой для строительства, составили 0,5…0,7 га. Размещение биоэнергетического комплекса на местности

В ы в о д ы Предложенный Национальным техническим университетом «ХПИ» проект решает ряд природоохранных задач, обеззараживая навозные стоки крупных сельскохозяйственных предприятий и получая в результате их переработки высококачественные органические удобрения и биогаз. Полученный биогаз используется как моторное топливо для газовых двигателей внутреннего сгорания, что может обеспечить энергонезависимость этих предприятий, существенно снизить себестоимость выпускаемой ими продукции за счёт использования в производственном цикле более дешёвой электрической и тепловой энергии. Показатели производительности, рассчитанные для разработанного биоэнергетического комплекса, и предварительный анализ энергетического баланса позволяют оценить привлекательность данного проекта. Технология метанового сбраживания имеет замкнутый цикл, не связанный с атмосферой, что исключает попадание биогаза в окружающую среду в чистом виде. Это позволит существенно снизить выбросы СО 2 в окружающую среду.

Спасибо за внимание! 61022, г.Харьков, ул.Фрунзе, 21 тел./факс 8 (057) Контактная информация Национальный технический университет «ХПИ»