Обоснование экономико-математической модели эффективности предлагаемой технологической линии на основе биогазовой технологии

На выход качественной товарной продукции непосредственно влияет та технология, которая запускается на максимально подготовленном сырье, подвергаемом переработке в технологически оптимальных временных, скоростных и температурных режимах, обеспечиваемых работой технически налаженного оборудования, проходящего своевременное обслуживание и ремонт.

Проведенный анализ показал, что на обезвреживание и обеззараживание свиного навоза в регионе, где в году преобладают месяцы с низкими температурами, огромное влияние оказывают различные факторы. Необходимо отметить, что основой любого эффективного производства является наличие достаточного запаса топливно-энергетических ресурсов (ТЭР)

в виде горюче-смазочных материалов (ГСМ). Нехватка ТЭР напрямую сказывается на результатах производства ввиду несвоевременности обеспечения бесперебойной работы оборудования достаточным количеством ГСМ. Следует отметить, что в условиях Якутии цена ГСМ достаточно высокая, что также препятствует хозяйствам обеспечить восполнение запаса его требуемого и необходимого объема.

Цель работы – оценить эффективность использования технологической линии, получаемой из возобновляемого энергоресурса в виде биогаза.

Материалы и методы исследования

Эффективность использования альтернативной электроэнергии, преобразуемой из биотоплива, получаемого анаэробным сбраживанием при утилизации свиного навоза новым способом, будет достигнута только при снижении энергетических затрат на ее производство:

ЭЗ = ЕС Э Q as + H-Ki)^ min,                         (1)

где Q АЭ – себестоимость альтернативной электроэнергии, получаемой из биотоплива, руб.; H – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; К i – общие расходы на производство альтернативной электроэнергии, руб.

Устойчивой работы газового генератора на биотопливе - возобновляемом источнике, можно добиться путем подбора и обоснования следующих параметров:

• -    диаметр жиклера генератора – d Ж , который обеспечивает беспрепятственный проход биотоплива в камеру сгорания газогенератора. Биотопливо предварительно очищается от вредных составляющих – серы, углекислого газа и влаги. Известны работы ученых, в которых обосновано, что чем ниже температура сбраживания в биогазовой установке, тем качественнее получается биотопливо [1 - 6]. Поэтому одним из значимых факторов является применяемый режим сбраживания, Р СБР . Он может быть психрофильным, мезофильным или термофильным:

^d ж = ^{f( Б}сг ,^рсвр⁾> [d жд ],                              (2)

где Б СГ – качество биотоплива; Р СБР – режим работы биогазовой установки;

• -    качество биотоплива – Б СГ , определяется соотношением в нем метана и углекислого газа. Наиболее полное сгорание биотоплива происходит при содержании в нем метана более 80 %. Это обеспечивает корректную и бесперебойную работу газового генератора. Этот и более высокий процент метана в биотопливе достигается при утилизации предварительно качественно подготовленного по составу сбраживаемого сырья (ССС) и обеспечении наиболее оптимальных условий переработки в биогазовой установке путем управления значимыми факторами (УПФ):

Б сг = f(ССС, УПФ) > [ Б сг ],                           (3)

где ССС – состав сбраживаемого сырья. Для эффективного разложения сбраживаемого сырья в биогазовой установке, оно должно быть максимально измельчено и разбавлено водой до влажности 92 - 93 %, представлять из себя гомогенизированную смесь. Процесс утилизации можно значительно интенсифицировать, если свежий навоз разбавлять жидкостью, содержащей колонию метаногенных бактерий; УПФ – наиболее значимые, управляющие процессом анаэробной утилизации факторы: вид и влажность сырья, скорость образования метаногенных бактерий и их концентрация в сбраживаемом сырье;

• -    требуемый запас биотоплива, W а , который преобразуется в электрическую энергию:

W_a=f(t oB ,WHae )> [W_a],                           (4)

где [W а ] – допустимое количество биотоплива в газовых баллонах; t ОБ – время работы оборудования на альтернативной электроэнергии; W НАВ – объем утилизируемого свиного навоза.

И.А. Савватеевой разработана технология преобразования биотоплива в электрическую энергию через газоэлектрогенератор [7 - 9] на основе уточнения и обоснования диаметра жиклера для устойчивого прохождения биотоплива в камеру сгорания.

Требуемое количество альтернативной электроэнергии (биогазовой электроэнергии) для обеспечения работы газового генератора в общем зависит от следующих величин:

}

G = f(dЖ; Ne} ^ max Wa = f(tоб ; Whab) ^ max БСГ = f(CCC; УПФ) ^ max}

где G - производительность газового генератора, кВт^ч; d ж - диаметр жиклера для подачи биотоплива в камеру сгорания генератора, мм; N e – мощность газогенератора.

Температурные режимы анаэробного сбраживания подробно рассмотрены и проанализированы во многих работах [10 - 26]. Большинство исследователей отмечают, что в психро-фильном режиме работы биогазовой установки производится качественное по составу биотопливо, т. е. с максимальным содержанием метана. Это объясняется тем, что психрофильный режим сбраживания наиболее приближен к естественным природным процессам.

Результаты исследования и их обсуждение

Адекватное обоснование эффекта применения электроэнергии, сгенерированной от биотоплива, осуществлялось через такие показатели, как энергетический эквивалент и энергосодержание, заключенные в получаемом МБА. В первую очередь на величину энергетического эффекта от полученного МБА влияли продолжительность времени работы технологической линии, имеющийся запас возобновляемого топлива (биотоплива), конструктивно и эксплуатационно правильно подобранный диаметр жиклера и заложенная производителем мощность генератора. Эти перечисленные показатели сформировали себестоимость получаемого МБА, которая выступила как решающий параметр при оценке эффективности производства и применения биогазовой электроэнергии:

C = эз —Э—

ZZ где Z – объем МБА, т.

С учетом нестабильности современного рынка, колебания цен себестоимость МБА от применения биогазовой электроэнергии была выражена в виде

C = ЭЗ = Хэ^З ^ min>                              (7)

Z     Z где Эзi – показатель энергозатрат на производство МБА с учетом энергозатрат на получение биотоплива, кВт; З – эквивалент стоимости единицы энергозатрат, руб/кВт.

Эффективность производства биогазовой электроэнергии обеспечивалась только в том случае, когда себестоимость ее производства была ниже, чем энергозатраты на МБА. Максимальная утилизация свиного навоза по новому предлагаемому способу с получением четырех продуктов – эффлюента, биотоплива, гуминового удобрения и МБА - достигалась только при соблюдении условия, когда

ЛЭ = Э_К - Э_Э ^ max,

следовательно, при этом коэффициент эффективности (ķ) от использования биогазовой электроэнергии стремился к единице:

кэ = ЭК >1,                             (9

где Э э – общие удельные энергозатраты на производство возобновляемого топлива (биотоплива), кВт для получения 1 м³ биотоплива; Э к – энергетический эквивалент и энергосодержание в произведенном МБА, кВт при сгорании 1 м³биотоплива.

В свою очередь, на величину энергетического эквивалента оказывала влияние производительность газового генератора, G:

ЭК = Э n-Z = Э n-G- Т СЕП ,                         (10)

где Э n – энергозатраты на обеззараживание и обезвреживание 1 т свиного навоза для получения эффлюента; Т СЕП – время, затраченное сепаратором для разделения тонны эффлюента, ч.

Известна формула, связывающая текущее часовое значение КПД (η т ) генератора с его производительностью, [27, 28]:

& _ 0,36-^ Г -т-Ne

~    Ка   ’ где цГ - значение КПД генератора; т - коэффициент использования времени работы сепара- тора; Ne - значение мощности двигателя генератора; Ka - удельное сопротивление, кН/м.

Общие энергетические затраты ( Э АЭ ) на производство биогазовой электроэнергии, кВт, зависели от следующих параметров: от сооружения биогазовых реакторов (З М ), сбора и гомогенизации свиного отхода к утилизации (З Н ), от финансовых расходов на компрессор высокого давления (З К ), от газовых баллонов под метан и газового генератора (З БГ )

Э АЭ = ∫ ( З М , З Н , З К , З БГ ) .

Процесс разделения свиного эффлюента сепаратором на жидкую и твердую фракции (А), на который направлялась альтернативная электроэнергия, был описан через производительность газового генератора

W бб

А = Т СЕП ⋅ G = G ⋅     ,

WЧ где WББ – запас биотоплива, хранящегося в баллонах, м3; WЧ – часовой расход биотоплива, м3/ч.

Следовательно, достаточный запас биотоплива, необходимый для бесперебойной работы сепаратора, зависел от устойчивой работы биогазовой установки, обеспечивающейся наличием:

• -    постоянной положительной температурой помещения, Т ПОМ , где расположен биогазовый реактор;

• -    исходного объема перерабатываемого навоза, V Н (санитарно-эпидемиологически положительного), который разбавляется рециркуляционной жидкостью эффлюента с содержанием жизнеспособных метаногенных микроорганизмов, V Р , ускоряющих процесс анаэробного разложения утилизируемого отхода

W ББ = f ( V Н , Т ПОМ , V P ),                               (14)

Эффективность предлагаемого нового способа утилизации свиного навоза с получением четырех продуктов – эффлюента, биогаза, гуминового удобрения и модификатора битума для асфальтобетонов, оценивался экономико-математической моделью, в основе которой находился процесс производства и применения альтернативной электроэнергии из биотоплива

С = ЭЗ = ГЭЗ ^                             (15)

АА

Заключение

Таким образом, себестоимость нового дополнительного продукта - модификатора битума для изготовления асфальтобетонов из свиного навоза, зависит от наличия оптимального запаса биотоплива в баллонах W ББ , м³; его качества Б СГ ; часового расхода биотоплив, W Ч , м³ / ч; коэффициента использования времени работы сепаратора, τ ; объема рециркуляционной жидкости эффлюента с содержанием жизнеспособных метаногенных микроорганизмов, V Р и постоянной положительной температуры помещения, Т ПОМ , где расположена биогазовая установка:

C = f ( W ББ ; М Б ; W Ч ; τ ; V P ; Т ПОМ ).                            (16)