K004537 Дипломная работа Разработка проекта биогазовой станции для животноводческого хозяйства

Введение

Задачей данной дипломной работы является разработка проекта биогазовой станции для животноводческого хозяйства с целью повышения эффективности данного предприятия путем внедрения альтернативных источников энергии.

Повышение эффективности будет обусловлено решением проблемы утилизации отходов работы хозяйства, а так же за счет переработки отходов будут снижены затраты на энергообеспечение.

Агропромышленный комплекс России сегодня сталкивается с проблемой утилизации огромного количества отходов – чаще всего они просто вывозятся с территорий ферм и складируются.

Отходы АПК, которые необходимо утилизировать, сами по себе являются существенным энергетическим ресурсом, так как с разной степенью эффективности возможно получение биогаза почти из всех видов сельскохозяйственных отходов. Таким образом, развитие биогазовой энергетики – это не только возможное решение проблемы отходов, но и еще решение энергетических проблем сельского хозяйства.

Энергия биомассы имеет существенные преимущества по сравнению с ископаемыми видами топлива и рядом других возобновляемых источников энергии. Использование данного вида энергии обеспечивает энергоснабжение, повышение уровня жизни, повышение благосостояния и поддержание экологии. Энергетические системы на основе биомассы представляют собой потенциальный механизм устранения бедности в сельской местности, одновременно способствуя устойчивому развитию и охране окружающей среды, и получают всё большее внимание во всем мире. Топливо из биомассы доступно везде, где растут деревья и сельскохозяйственные культуры, а также перерабатываются продовольственные продукты и волокна.

1.Сельсское хозяйство

 1.1.Описание существующего хозяйства

За основу данного проекта взято животноводческое хозяйство, расположенное в Ленинградской области, Волосовский район.

 Хозяйство расположено в зоне смешанных лесов с атлантико-континентальный климатом.  Морские воздушные массы обусловливают сравнительно мягкую зиму с частыми оттепелями и умеренно-тёплое, иногда прохладное лето. Средняя температура января −10… −22 °C, июля +19…+28 °C. Абсолютный максимум температуры +37,8 °C, абсолютный минимум −52 °C. Годовое количество осадков составляет 300- 400 мм. К особенности распределения осадков можно отнести  — меньшее количество в период весеннего сева, а большее летом и осенью, когда идет уборка урожая.  Уборку урожая по этой причине  следует проводить в короткие сроки.

 Последние весенние заморозки прекращаются в конце марта, а первые осенние начинаются во второй декаде ноября. Безморозный период  длится 110-125дней. Климатические условия вполне пригодны для возделывания сельскохозяйственных культур.  Среднегодовая сила ветра не превышает 4 метров в секунду.

Общая земельная площадь составляет 10 га., из них: территория для выращивания агрокультур составляет 3 га; сенокосы- 1 га; пастбища- 2 га; на остальной территории располагаются : административная, производственная и кормовая зоны.

           Поголовье скота состоит из: крупного рогатого скота- 300 голов;

СПК «им. Трофимова» специализируется на производстве зерновых и зернобобовых культур, молока и КРГ. Главным является молочная отрасль с развитым зерновым и мясным производством

В основе разработки генерального плана лежит пафильонный типо застройки. Он состоит из отдельно стоящих по периметру, одноэтажных сооружений.

Расстояние между сооружениями – 30м, а между отдельными производственными строениями – 15м.

Между коровниками  предусмотрены огражденные выгульно-кормовые площадки.

По периметру территории установлена ограда высотой 1,8 м и озеленена деревьями

Ферма разделена на три зоны: административную, производственную, кормовую.

К административной зоне относятся: вет. амбулатория, санпропускник, бойня, административно-бытовые помещения и т.д.

В производственной зоне размещены: коровники, выгульные площадки, навозохранилище на расстоянии 120м от производственных сооружений и др.

К кормовой зоне относятся: кормоцех, хранилище для подстилки, хранилище кормов, хранилище инвентаря, силосные ямы, цистерны с водой и другое.

  Все эти зоны изолированы одна от другой легкими оградами и имеют отдельные въезды и оснащены дезбарьерами. За границами производственной зоны размещается карантинное отделение, в котором около 30 дней содержатся завезенные животные.

На территории СПК централизованное энергообеспечение. Среднегодовое потребление электроэнергии предприятия составляет 300 000 кВт*ч в расчете на

300 голов КРС. С этим связаны очень большие затраты на электро и теплоснабжение.

С целью решения этой проблемы рассматривается внедрение альтернативных источников энергии для получения собственных ресурсов.

Одно из главных преимуществ альтернативных источников перед классическими видами топлив это то, что первые являются возобновляемыми. Их ресурс неограничен. А так же для их добычи  требуется не больше финансовых затрат и труда, чем для добычи обычного сырья, как к примеру уголь, который добывается в шахтах, что является очень опасным и трудоемким процессом. Использование альтернативных источников ко всему прочему еще и нетоксично, т.е. нет опасности загрязнения окружающей среды. С экономической точки зрения использовать альтернативный ресурс куда выгоднее, чем классический. Это связано с тем, что для первого необходимы только однократные капиталовложения на постройку и на обслуживание. А для добычи каменного угля необходимо постоянное финансирование в первую очередь труда, далее поддержка технического оборудования, транспортировка, переработка и тд.

1.2. Утилизация отходов

Навоз составляет наибольшую часть твердых отходов в животноводстве . Утилизируют его, как правило, путем вывоза на поля с последующей запашкой в почву. От способа содержания скота и метода его удаления зависит удобрительная ценность навоза.

Как показывает опыт, лучшей удобрительной ценностью обладают органические удобрения (навоз), получаемые при подстилочном содержании скота с механизированной системой удаления навоза по сравнению со стойловым содержанием скота и гидромеханизированной системой удаления навоза.

Нередко навоз накапливается вблизи комплексов, ферм и птицефабрик, что является последствием нарушения технологии хранения и использования. Этопредставляет для окружающей среды серьезную экологическую проблему: загрязняются грунтовые воды, реки и озера, почва, образуются огромные озера зловонных масс. При длительном хранении навоза на грунтовых площадках (открытых для атмосферных осадков) в поверхностном слое почвы толщиной 0,4 м содержится до 4950 кг/га минерального азота, в том числе 2500 кг/га нитратного, что в 17 раз выше по сравнению с незагрязненной почвой.

    В ходе деятельности  рассматриваемого  СПК ежедневно образуется большое количество отходов, главным образом это навоз с 300 голов КРС - 15 т в день, и силос травы с 2 га около 0,3  т, что является довольно большим показателем. Если отходы не утилизировать надлежащим образом, это может привести к серьезным проблемам с экологией местности.

2. Альтернативные источники энергии

2.1. Общие сведения

Рассмотрим возможности повышения эффективности сельского хозяйства, путем внедрения альтернативных источников энергии.

В энергию можно превращать практически любой природный фактор . Например, ветер, солнце, силу воды, тепло земных недр, разложение биомасс. Наиболее распространенно использование энергии солнца и ветра, как альтернативных источников энергии.

2.1.1 Солнечная энергия

Всевозможные гелиоустановки используют солнечное излучение как альтернативный источник энергии. Излучение Солнца можно использовать как для нужд теплоснабжения, так и для получения электричества (используя фотоэлектрические элементы).

Преимуществом солнечной энергии является в первую очередь возобновляемость, так же это бесшумный источник. При использовании солнычных гелиоустановок  отсутствуют вредные выбросы в атмосферу так же и  при переработке солнечного излучения в другие виды энергии.

Недостатками солнечной энергии являются зависимость интенсивности солнечного излучения от суточного и сезонного ритма, а также, необходимость больших площадей для строительства солнечных электростанций. При изготовлении фотоэлектрических элементов для гелиосистем используют ядовитые и токсичные вещества, что создает проблему утилизации.

2.1.2 Ветряная энергия

Энергия ветра является наиболее перспективным источником . Принцип работы ветрогенератора элементарен. Сила ветра, используется для того, чтобы привести в движение ветряное колесо. Это вращение в свою очередь передаётся ротору электрического генератора.

    Преимуществом ветряного генератора является, прежде всего, то, что в ветряных местах, ветер можно считать неисчерпаемым источником энергии. Кроме того, при производстве электроэнергии ветрогенераторы не загрязняют атмосферу вредными выбросами.

    К недостаткам устройств по производству ветряной энергии можно отнести непостоянство силы ветра, что является невоголным для использования в местах со слабыми ветрами. Так же единичные ветрогенераторы выдают слишком малые мощности. Ветрогенераторы известны тем, что производят много шума, вследствие чего их стараются строить вдали от мест проживания людей.

И наконец, рассмотрим альтернативу использования энергии биомассы

2.1.3 Биомасса

    Биомасса — возобновляемый источник энергии, что является одним из главных преимуществ . Понятие «биомасса» относится ко всем материалам растительного происхождения, которые могут быть использованы для получения энергии, включая:

• древесину,

• травы,

• растительные и древесные отходы,

• навоз крупного рогатого скота и свиней, и многое другое.

Энергия биомассы имеет существенные преимущества по сравнению с ископаемыми видами топлива и рядом других возобновляемых источников энергии. Использование данного вида энергии обеспечивает энергоснабжение, повышение уровня жизни, повышение благосостояния и поддержание экологии. Энергетические системы на основе биомассы представляют собой потенциальный механизм устранения бедности в сельской местности, одновременно способствуя устойчивому развитию и охране окружающей среды, и получают всё большее внимание во всем мире. Топливо из биомассы доступно везде, где растут деревья и сельскохозяйственные культуры, а также перерабатываются продовольственные продукты и волокна.

Достоинства:

• Ресурс, используемый при необходимости: биомасса представляет собой подлежащий хранению источник топливной энергии, который в любой момент можно использовать в целях энергоснабжения, в отличие от других возобновляемых источников энергии, характеризующихся нерегулярностью или сезонностью;

• Универсальность: биомасса является потенциальным источником всех основных энергоносителей — жидкости, газа, тепла и электроэнергии;

• Отсутствие влияния на климат: при условии экологически рационального получения и сгорания, энергия биомассы не вызывает климатических изменений и парниковых газов, а также

• Дополнительная совокупная выгода для жителей сельской местности:  выгода энергетических систем на основе биомассы сохраняется на местном уровне и может значительно способствовать развитию сельских районов за счет создания местных источников дохода. Энергия биомассы содействует получению дохода в цепочке поставок и при использовании тепловой и электрической энергии, это является существенным преимуществом её использования в качестве инструмента борьбы с низким уровнем жизни.

    Итак  учитывая все положительные стороны использования биомассы, как альтернативного источника энергии, а так же беря во внимание внушительные объемы ежедневных отходов от деятельности предприятия , принято решение установить на территории СПК биогазовую станцию, что решит проблему утилизации отходов и повысит энергоэффективность предприятия за счет выработки собственной электроэнергии.

2.2 Общие сведения о биогазовых станция

    Биогаз возникает при ферментации органических веществ, таких как навоз, навозная жижа, жидкое навозное удобрение, пищевые отходы, растения. Он возникает в природе повсюду, где нет доступа кислорода: в болотах и топях, а также в пищеварительном тракте при пережевывании.   Анаэробные бактерии – это микроорганизмы, которым для жизнедеятельности требуется минимальное количество кислорода .  Если органический материал складируется без доступа воздуха (анаэробно), то при воздействии связывающих метан бактерий (кокки, палочки, спирали, спирохеты, микоплазмы и нитевые бактерии)начинается процесс брожения, при котором образуется газ. Это и есть биогаз.  

     В настоящее время в мире используется или разрабатывается около 60 разновидностей технологий получения биогаза. Наиболее распространённый метод – анаэробное сбраживание в метантенках (резервуары для биологической переработки), без доступа воздуха или в анаэробных колоннах. Часть энергии, полученная в результате утилизации биогаза, направляется на поддержание процесса (например подогрев метантенка, автоматизация процесса). Бактерии перерабатывают биомассу в биогаз при температуре свыше 25°С.  Процесс основан на разложении (гниении) под воздействием бактерий, принадлежащих к двум большим семействам асидогенов и метаногенов, предварительно сортированного ТБО (органические отходы, густая грязь) в металлических емкостях без доступа воздуха при средней температуре около + 55°C.   Биогаз

представляет собой смесь газов , которая примерно на две трети состоит из метана (CH4), на одну треть из диоксида углерода (CO2), а также небольшого количества водорода (H2) , сероводорода (H2S), аммиака и некоторых других примесей.  

 Биогазовыми установками  называют установки, в которых в процессе анаэробного (при отсутствии кислорода) брожения органических веществ получают биогаз.

Биотопливо – возобновляемый и весьма эффективный источник энергии , способный покрыть значительную часть общих энергетических потребностей государства.

        Таблица 1. Сравнение природного газа и биогаза

По энергетическому потенциалу биогаз не уступает природному газу, который обычно используется на тепловых электростанциях. Однако из-за наличия соединений серы  (H2S) в биогазе существует необходимость в приенении специальных конструктивных материалов.

Что касается чисто экономической выгоды от использования для собственных нужд мини-ТЭЦ на биогазе, всё зависит от местных условий, то есть от наличия первичного сырья и окружающего климата.

По сравнению с другими газовыми топливами, биогаз требует меньше воздуха для его возгорания. Для полного сгорания 1 литра биогаза необходимо около 5,7 литров воздуха, для бутана – 30,9 литра и для пропана – 23,8 литра.

2.2.1 Производство биогаза

Рассмотрим основные этапы производства биогаза:

                                           Рис.1 схема производства биогаза

1. Органические отходы (сбраживаемая органическая масса (СОМ)) ежедневно собираются в специальном накопительном резервуаре, где  гомогенезируется и подогревается до нужных температур, иногда охлаждается . В случае необходимости они подвергаются предварительной обработке при помощи измельчитей - смешивателей, которые, уменьшая размер фракции и обеспечивают необходимые условия для бактерии .

Жидкие биологические отходы перекачиваются на биогазовую установку с помощью насосов. Доставка твердых осуществляется по транспортерной ленте, на грузовой технике или другим способом. Их могут добавлять к жидкой массе, смешивая с ней, или помещать в шнековый загрузчик.

2. Затем переработанные органические отходы попадают в анаэробный биореактор (основной автоклав), являющийся главным элементом завода. Здесь биомасса подогревается до 30 - 37 градусов по Цельсию для обеспечения анаэробного процесса распада, который происходит посредством биологического преобразования органической составляющей в общей массе .

Гомогенизация с навозом идет в реакторе - ферментаторе, оборудованном мощными мешалками. Реактором называется герметичный резервуар, изготовленный из стали или кислостойкого железобетона, теплоизоляционный для поддержания фиксированной температуры с целью оптимизации условий сбраживания отходов благодаря жизнедеятельности микроорганизмов. В реактор бактерии вводят единожды, только при первом запуске, путем введения концентратов, добавления свежего навоза или части биомассы с другого реактора. Для перемешивания биомассы в крышке аппарата располагают наклонные миксеры или устраивают погруженные мешалки, тем самым устраняя причины появления осадка и плавающих слоев. Материалом для всех перемешивающих устройств служит нержавеющая сталь. В отдельных случаях отходы перемешиваются не механически, а гидравлически, когда масса подается

насосами по трубкам в слой, в среду обитания бактерий. Навоз животных – первостепенный источник микробов. Но эти микроорганизмы не приносят вреда, и в силу герметичности системы реакторы могут размещаться вблизи  ферм.

Реактор подогревается теплой водой. На входе в реактор вода должна быть температурой 60°С, после реактора - около 40°С. Системой подогрева является сеть трубок внутри стенок реактора, либо на их внутренней стороне. Если биогазовая установка комплектуется когенерационной установкой, то оставшейся при охлаждении генератора рециркуляционной водой (90°С), подогревают реактор, изначально доведя её до нужного уровня (60°С). В сезон зимы биогазовой установке требуется до 70% вторичного тепла, выделенного теплоэлектрогенератором, летом - всего 10%. Если биогазовую установку эксплуатируют только с целью получения газа, теплая вода берется из водогрейного котла.

Процесс сбраживания массы делится на 2 типа, в зависимости от температуры— мезофильное сбраживание, происходит при температуре 30—35° С, и термофильное сбраживание, происходит при температуре 50—55°С

Термофильное сбраживание отличается большей интенсивностью распада органических веществ и протекает примерно в 2 раза быстрее, чем мезофильное, благодаря этому вдвое сокращается требуемый объем сооружений.

Процесс гидравлического отстаивания в реакторе в зависимости от субстратов длится по-разному: от 20 до 40 дней. Вся система полностью автоматизирована. Автоматика контролирует деятельность насосной станции, системы подогрева, мешалок, генератора. Для управления хватит одного человека на пару часов в день, который будет вести наблюдение с компьютера.

3. Полученный биогаз или компостированный субстрат далее складируется в танкере для хранения удобрения. Биогаз хранится в специально предназначенной для этого емкости – газгольдере, где выравнивается его состав и давление. Газгольдер дополнительно накрывается тентом, между ними образуется некое пространство, куда закачивается воздух, создавая давление и теплоизоляцию. В отдельных случаях газгольдер представляет собой много-камерный мешок, который по проекту крепится либо поверх бетонного свода

ремнями, либо в отведённой бетонной емкости. Затем происходит непрерывное движение газа в газовый или дизель-газовый двигатель. Полученный газ преобразуется в тепло или электричество. Обеспечивая безопасность, крупные биогазовые установки оснащают блоками аварийности на тот случай, если двигатель выходит из строя, а газ нужно сжечь. Газовая система может быть оснащена конденсатоотводчиком, вентилятором и др. Работа биогазовой установки протекает с помощью средств контроля и автоматизации.

4. Полученный биогаз после осушки поступает в когенерационную установку, производящую тепло и -электроэнергию. Кроме использования энергии для собственных потребностей, ферма также может продавать излишки энергии

5. Помимо биогаза в процессе переработки органических отходов получается сбалансированная органическая субстанция, которая подается на сепаратор и в результате механического разделения получается твердая и жидкая фракция. Твердые фракции представляют собой биогумус и являются наиценнейшим удобрением.

На рис.2 представлены основные технические элементы станции.

Рис.2 Схема биогазовой станции

Газ ,который образуется в метантенке, может быть использован в качестве топлива в котельных установках. При неполном использовании выделяющегося газа давление его в метантенке увеличивается.  Это может вызвать прорыв водяного затвора,  который находится в газовом колпаке. Однако опаснее обратное явление, т.е. образование вакуума внутри метантенка и засасывание в его газовое пространство воздуха. Смесь воздуха с газом может образовать горючую взрывоопасную смесь.  Для избежания взрывоопасных ситуаций давление газа регулируют с помощью мокрого газгольдера, который поддерживает в газовой линии и внутри метантенка давление 0,2 м вод. ст.

2.2.2 Перспективы развития биогазового комплекса в РФ

При анализе российского сельскохозяйственного сектора было установлено,  что биогазовые технологии не только экономически выгодны, но и могут создать условия для более интенсивного развития сельского хозяйства в РФ, решить проблему утилизации отходов АПК и способствовать развитию энергетической инфраструктуры в сельских районах.

Агропромышленный комплекс России сегодня сталкивается с проблемой утилизации огромного количества отходов – чаще всего они просто вывозятся с территорий ферм и складируются. Это приводит к проблемам окисления почв, отчуждению сельскохозяйственных земель (более 2 млн га сельскохозяйственных земель заняты под хранение навоза). Загрязняются грунтовые воды и в атмосферу выделяется метан, что приводит к образованию  парникового газа. На государственном уровне необходима постановка задачи интенсивного развития сельского хозяйства с высоким уровнем эффективности.

Отходы АПК, которые необходимо утилизировать, сами по себе являются существенным энергетическим ресурсом, так как с разной степенью эффективности возможно получение биогаза почти из всех видов сельскохозяйственных отходов. Таким образом, развитие биогазовой энергетики – это не только возможное решение проблемы отходов, но и еще решение энергетических проблем сельского хозяйства.

А эти проблемы существуют: большая часть регионов с развитым сельским хозяйством, соответственно, с высокой концентрацией ресурсов для производства биогаза (Белгородская область, Краснодарский край, Алтайский край и др.) являются энергодефицитными и энергоснабжение сельхозпроизводителей здесь осуществляется по остаточному принципу. Во всех сельскохозяйственных регионах существует проблема крайне низкой степени доступности объектов энергетической инфраструктуры, в частности только 37% крупных и средних сельхозпроизводителей имеют доступ к сетевому газу.

В количественном выражении, суммарный энергетический потенциал отходов АПК РФ достигает 81 млн т.у.т. Если весь биогаз будет перерабатываться на когенерационных установках, это позволит на 23% обеспечить суммарные потребности экономики в электроэнергии, на 15% – в тепловой энергии и на 14% – в природном газе или же полностью обеспечить сельские районы доступом к природному газу и тепловой мощности.

Рис.3 Потенциал замещения разных источников биогазом

Биогазовая энергетика, помимо всего прочего , является источником дешевых комплексных органических удобрений, которые образуются  при производстве биогаза в виде субпродукта. Например, ежедневный органический потенциал переработки навоза единицы КРС составляет 0,25 кг азота, 0,13 кг оксида фосфора, 0,3 кг оксида калия и 0,25 оксида кальция и сравним с 1 кг комплексных удобрений. Такие недорогие и доступные удобрения помогут повысить интенсификацию сельского хозяйства и увеличить уровень конкурентоспособности рынка . Для фермера будет обеспечена независимость от закупочных цен на рынке и возрастет объем урожая.