ПРИМЕНЕНИЕ БИОГАЗА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВКАХ

BIOGAS APPLICATION IN COMBINED POWER PLANT

Alexey Kulikov

student, Smolensk branch of the National Research University "Moscow Power Engineering Institute",

Russia, Smolensk

Sergey Lazukov

student, Smolensk branch of the National Research University "Moscow Power Engineering Institute",

Russia, Smolensk

Irina Kabanova

Scientific adviser, candidate of technical sciences, associate professor, Smolensk branch of the National Research University "Moscow Power Engineering Institute",

Russia, Smolensk

АННОТАЦИЯ

Постоянный рост потребления топлива, дефицит ископаемых видов топлива приводят к поиску альтернативных видов топлива. Таким образом, актуальными являются работы, направленные на поиск альтернативных видов топлива.

ABSTRACT

The constant increase in fuel consumption and the shortage of fossil fuels lead to the search for alternative fuels. Thus, the work aimed at finding alternative fuels is relevant.

Ключевые слова: парогазовые установки, биогазовые установки, биотопливо, газ.

Keywords: combined-cycle gas plants, biogas plants, biofuels, gas.

На данный момент природный газ – самое экологически чистый и удобный вид топлива для парогазовых установок (ПГУ). Но запасы данного вида топлива продолжают истощаться, что даёт повод для поиска альтернатив природному газу. Одной из таких альтернатив является биогаз.

Сейчас во всём мире используют или разрабатывают примерно шестьдесят путей получения биогаза. Самый распространённый из них это анаэробное сбраживание в анаэробных колоннах (метантенках). В качестве сырья используют отходы сельхоз деятельности (барда, растительные, древесные отходы, а также навоз).

В естественной среде образование биогаза лежит в диапазоне температур от нуля до девяносто семи градусов Цельсия, однако если применять оптимизацию процесса переработки отходов для добычи биоудобрений и биогаза, то можно выделить 3 температурных режима:

1. Термофильный режим определяется температурами от сорока градусов Цельсия и выше. Данный режим характерен высокими затратами тепла на подогрев сырья, таким образом, целесообразен только на крупных биогазовых установках, является самым быстрым режимом сбраживания.
2. Мезофильный режим определяется температурами от двадцати пяти до сорока градусов Цельсия. Данный режим является предпочтительным для большинства средних и малых БГУ (биогазовых установок), а также средним по скорости сбраживания.
3. Психофильный режим определяется температурами от двадцать до двадцати пяти градусов Цельсия. Такой режим может быть использован в южных широтах в связи с отсутствием необходимости подогрева сырья, является самым медленным режимом сбраживания.

Метано и кислотообразующие бактерии повсеместно встречаются в природе, в частности в экскрементах животных. К примеру, в системе пищеварения КРС (крупного рогатого скота) есть полный набор бактерий, достаточных для сбраживания навоза. Сам процесс брожения метана начинается ещё в кишечнике. Поэтому навоз КРС применяют достаточно часто в качестве загружаемого в новый реактор сырья, где для начала процесса необходимо обеспечить условия:

• Сохранение и соблюдение температурного режима;
• Своевременная загрузка, выгрузка сырья, а также правильный выбор времени;
• Поддержка анаэробных условий в реакторе;
• Доступность питательных веществ для бактерий;
• Соблюдение щелочно-кислотного баланса;
• Подбор необходимой влажности сырья;
• Соблюдение соотношения содержания азота и углерода;
• Отсутствие ингибиторов процесса.
• Регулярное перемешивание.

На каждый из типов бактерий, которые принимают участие во всех трёх стадиях метанообразования, параметры влияют по-разному. Также существует тесная взаимосвязь между параметрами, к примеру, время сбраживания зависит от режима температур, таким образом, точное определение влияния каждого фактора на количество образующегося биогаза весьма затруднительно.

Размер реактора определяется количеством, качеством и типом сырья, а также выбранным временем и температурой сбраживания, измеряется в кубических метрах.

Суточная доза загрузки сырья определяется, исходя из времени сбраживания (время оборота реактора) и выбранного температурного режима. Для мезофильного режима сбраживания время оборота реактора составляет от 10 до 20 суток, а суточная доза загрузки – от 1/20 до 1/10 от общего объема сырья в реакторе.

Сначала, исходя из количества животных, опытным путем определяется суточное количество навоза (ДН) для переработки в биогазовой установке. Затем сырье разбавляется водой для достижения 86% - 92% влажности.

В большинстве сельских установок соотношение навоза и воды, смешиваемых для получения сырья, колеблется от 1:3 до 2:1. Таким образом, количество загружаемого сырья (Д) – это сумма отходов хозяйства (ДН) и воды (ДВ), которой они разбавляются.

Для переработки сырья при мезофильном режиме рекомендуется использовать дозу суточной загрузки, равную 10% от объема общего загруженного в установку сырья. Общий объем сырья в установке не должен превышать 2/3 объема реактора [1].

Суточный выход биогаза зависит от типа сырья и суточной порции загрузки.

Теплотворная способность одного кубометра биогаза составляет в зависимости от содержания метана 20-25 МДж/м3, что эквивалентно сгоранию 0,6-0,8 л бензина; 1,3-1,7 кг дров или использованию 5-7 кВт электроэнергии. После осушки биогаз можно использовать в качестве топлива на ПГУ.

Россия ежегодно накапливает до 300 миллионов тонн в сухом эквиваленте органических отходов.250 млн. т. в сельскохозяйственном производстве и 50 млн. т в виде бытового мусора. Эти отходы являются сырьем для производства биогаза. Потенциальный объем ежегодно получаемого биогаза может составить 90 млрд. м³. И это при нынешнем развитии сельскохозяйственной отрасли в стране.

Состав получаемого биогаза приведен в табл. 1:

Таблица 1.

Состав биогаза

В рамках научно-исследовательской работы разработана математическая модель ПГУ с КУ (рис.1). Схему установки можно условно поделить на 3 блока: ГТУ, ПГУ и КУ. Ниже изображена t, Q-диаграмма передачи теплоты от газов к пароводяному рабочему телу. На холодном конце испарителя расположено самое «узкое» место на графике – пинч-точка. В ней температурный напор минимальный на протяжении всего теплообмена [2].

Рисунок 1. Схема ПГУ с одноконтурным КУ и t, Q-диаграмма работы КУ

ПН – питательный насос, ЭК – экономайзер, ИСП – испаритель, ПП – пароперегреватель, N_э^ГТУ- электрическая мощность ГТУ, N_э^ПТУ - электрическая мощность ПТУ, p₀ и h₀ – параметры пара перед паровой турбиной, D – паропроизводительность КУ, p_к – давление пара в конденсаторе, G_г, I_d – параметры уходящих газов после газовой турбины, I_ух – энтальпия уходящих газов.

Предусмотрены варианты комплектации одно- и двухконтурным котлом-утилизатором. Для реализации задачи оптимизации параметров работы парогазовых установок и оценки влияния различных факторов и начальных условий на энергетические показатели ПГУ создана математическая модель работы данной установки в целом и каждого элемента в отдельности. На основе разработанных математических моделей разработан программный комплекс в среде Borland Delphi 7 Enterprise.

С использованием данного программного комплекса проведен расчет энергетических показателей работы установки на биогазе, получаемом путем сбраживания различного сырья.

Анализ результатов показывает, что самым лучшим сырьем для получения биогаза является навоз КРС. Использование при производстве биогаза очистительной установки позволяет повысить концентрацию метана в биогазе до 90%. При таких параметрах энергетические характеристики ПГУ на биогазе сравняются с аналогичной ПГУ на традиционном топливе.

Замена природного газа на получаемый в результате анаэробного сбраживания биогаз является примером перехода энергетики на экологически чистый цикл. Отходы сельского хозяйства вместо складирования направляются в БГУ. При этом исчезают выбросы метана (парникового газа) в атмосферу, возникающие при хранении навоза под открытым небом. Полученный газ используется для выработки электроэнергии на ПГУ. Отработавшая биомасса после метантенка представляет собой готовое жидкое экологически чистое азотное удобрение для сельского хозяйства.

Экономический расчет показывает, что биогаз выгоднее всего производить на самих предприятиях сельского хозяйства путем установки БГУ на территории предприятия и организации поступления сырья в установку напрямую от животноводческих ферм. Затем по трубопроводной системе полученный газ направляется на ПГУ. В результате происходит стимуляция развития сельского хозяйства и, как следствие, экономическое развитие страны в целом на фоне улучшения глобальной экологической обстановки.

Список литературы:

1. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер В. Биогаз: теория и практика (Пер. с нем. и предисловие М. И. Серебряного) – М.: Колос, 1982.
2. Барбара Эдер. Биогазовые установки: практическое пособие /Барбара Эдер, Хайнц Шульц — Издано в 1996г. Перевод с немецкого выполнен компанией Zorg Biogas в 2011г. Под научной редакцией И.А. Реддих. —268 с.
3. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов / Под ред. С.В. Цанева – М.: Издательство МЭИ, 2009.