Обоснование возможности использования биохимической переработки органических отходов для получения тепловой энергии

Введение. Стратегию развития энергетической базы села составляют перспективные направления и целевые показатели развития систем и средств энергообеспечения, снижение энергоемкости сельхозпроизводства и ее доли в себестоимость продукции [2]. К сожалению, показатели энергоемкости сельскохозяйственных производственных процессов в нашей стране остаются в 2…3 раза выше уровня европейских стран. Кроме того, в последние десятилетия наблюдается рост энергозатрат при производстве яиц, животноводческой продукции с учетом кормопроизводства на 10-15% [3].

Анализ результатов энергетических обследований показал, что энергоносителями в сельскохозяйственном производстве являются [9]: электрическая энергия, тепловая энергия, твердое и жидкое топливо, моторное топливо и природный газ.

На рисунке 1 представлен график потребления энергоресурсов в процентном выражении (средние значения по обследованным хозяйствам).

от 1,5 до 3%

Тепловая энергия Моторное топливо Газ Электроэнергия

Рисунок 1 – Фактическое потребление энергоресурсов

Использование электроэнергии в сельскохозяйственном производстве происходит в следующих направлениях: освещение, электронагрев, электропривод машин и механизмов, электротехнология и системы управления. Затраты на последнее — минимальные.

Наибольший расход электроэнергии в хозяйствах приходится на электроосвещение (30–45 %) и обогрев, в т. ч. нагрев воды на технологические нужды. При этом в большинстве случаев используются неэкономичные системы освещения и водонагрева.

На рисунке 2 представлен расход электроэнергии по основным технологическим процессам

21,6; 2%

124,09; 11%

445,81; 41%

407,96; 37%

Освещение                  Затраты на электродвигатели Нагрев воды

Скважина                  Холодильник               Отопление

Прочее

Рисунок 2. – Структура потребления энергии в АПК

Как видно из рисунка 3 наибольшее потребление электроэнергии происходит на нужды освещения (41 %).

Снижая потребление электроэнергии на нужды освещения возможно снизить энергоемкость производства основной продукции и уменьшить доли платы за энергоресурсы в стоимости произведенной продукции.

Причинами низкой эффективности использования энергоресурсов в сельской местности являются [4]:

• -    невысокие технический уровень и КПД систем энергообеспечения;

• -    незавершенность комплексной электромеханизации производственных процессов (в животноводстве уровень комплексной электромеханизации в среднем составляет 60%);

• -    отставание с внедрением новых прогрессивных технологий в отрасли, новых систем электроснабжения и энергетического оборудования;

• -    отставание в реализации децентрализованных систем и средств энергообеспечения, в первую очередь, на базе местных и возобновляемых энергоресурсов, отходов сельхозпроизводства, в использовании тепловых насосов

Эффективность энергообеспечения сельских потребителей, затраты на энергоресурсы, а, следовательно, и энергоемкость сельхозпродукции, во многом определяются принятой системой энергоснабжения, используемыми энергоносителями, энергоэкономным оборудованием и энергопотерями. Поэтому обоснование и выбор рациональной системы энергоснабжения конкретных объектов (или ее модернизация), адаптированной к местным условиям и наличию энергоресурсов [5], является важнейшей задачей [6].

В настоящее время разрабатываются системы и средства автономного энергообеспечения с использованием газа, местных и возобновляемых энергоресурсов. Эффективное использование местных энергоресурсов в энергетике села – биомассы, древесных и растительных отходов, торфа, растительных масел, навоза, стоков и др. во многих регионах может покрыть значительную часть (до 30%) энергобаланса ряда хозяйств, сократить наполовину число отключений электропитания, снизить зависимость от централизованного энергоснабжения, создавать децентрализованные системы, вплоть до самоэнергообеспечения [7].

Известно, что многие технологические процессы АПК сопровождаются образованием некоторых объемов материальных или энергетических субстанций, которые могут быть использованы в хозяйственных целях. Например, при ведении животноводства образуется навоз, при анаэробном сбраживании органических отходов – биогаз, при компостировании растительных материалов и силосообразовании – тепловая энергия.

Так существуют следующие технологии трансформации биомассы:

• –    анаэробное сбраживание биомассы (растительных отходов или навоза) для производства газа, который затем может быть использован для генерации электричества и

• тепла;

• –    преобразование отходов в тепловую энергию посредством сжигания (топливо для таких установок может состоять из различных материалов, включая отходы дерева, биомассу или твердые бытовые отходы);

• –    гшидротермическая обработка, представляющая собой процесс, при котором отходы подвергаются воздействию высокой температуры и давлению в присутствии воды. (это приводит к превращению отходов в биотопливо, которое можно использовать для производства энергии).

• –    пиролиз, (процесс перегрева органического материала в отсутствие кислорода для производства твердых углеродных объектов, которые могут быть использован в качестве

топлива).

В контексте АПК использование одной из названных технологий может быть применено для утилизации различных отходов, таких как навоз, солома, остатки сельскохозяйственных растений и т.д., и производства энергии на предприятии.

Материалы и методы. В работе применялся литературный обзор, методы инженерной деятельности. Устройства разрабатывалась на основе структурной схемы, приведённой в [8].

Результаты и обсуждение.

Силосование зеленой массы сопровождается выделением тепловой энергии. В то же время, при превышении температуры 50…55°С происходит явное замедление процесса или полная его остановка, которую можно наблюдать на рисунке 3.

В начале процесса отходы находятся при температуре окружающей среды при слабокислом pH.. В начальной мезофильной стадии микроорганизмы, присутствующие в отходах, начинают быстро размножаться. При этом температура поднимается до 40°С, и среда подкисляется за счет образования органических кислот. При температуре выше 40°С начинают гибнуть исходные мезофилы и преобладать термофилы. Это приводит к повышению температуры до 60°С, при которой грибы начинают становиться неактивными. После 60°С в основном работают спорообразующие бактерии и актиномицеты. Происходит повышение pH, определяющее щелочной характер среды за счет выделения аммиака при распаде белков. В течение термофильной фазы наиболее легкоразлагаемые субстраты (сахара, крахмал, жиры, белки) быстро потребляются, и скорость реакции начинает падать. При этом скорость тепловыделения становится равной скорости теплопотери, это соответствует достижению температурного максимума. Затем органическое вещество вступает в стадию остывания. В некоторых случаях, особенно часто при компостировании старых отходов, имеет место несколько температурных максимумов [1,7].

Г, °C

Потребление растворимых веществ //

х Гибель грибов, патогенных микроорганизмов

Спорулируюшие бактерии и актиномицеты

Восстановление

Т популяции грибов

Потребление полимеров

/ Автолиз /

Выделение и антибиотико

Подкисление

образование Появление почвенных животных

Образование гуминовых кислот

IV Время

Рисунок 3 – График силосования зеленной массы

Вместе с тем, утилизация выделяющихся материальных или энергетических субстанций должна происходить с определенными ограничениями. Несоблюдение этого условия может привести к снижению производительности основного процесса и недополучении экономического эффекта. Поэтому разработке утилизирующего оборудования должно предшествовать тщательное изучение физической сущности используемых явлений и определение границы областей параметров оптимизации.

На рисунке 4 показана модель теплоутилизатора [8]

Рисунок 4. – Модель теплоутилизатора

Конструктивно теплоутилизатор состоит из контейнера 1, выполненного из металлических листов с отверстиями 2. Контейнер 1 помещен в бетонированный приямок 3 с лотком 4, сокосборником 5 и вертикальным стояком 6, системы нагнетания 7. Эта система выполнена из цельной трубы со встроенным насосом 8 и перфорированных труб 9 для подачи воздуха к растительному сырью. Система воздухоотведения состоит из трубы 10 со встроенным фильтром 11 и вентилем 12 для удаления нагретого воздуха.

Контейнер 1 заполняют растительным материалом повышенной влажности (силосом, сенажом, опилками, отходами кормов и пр.), который при хранении самосогревается под действием микробиологических процессов. Через определенное время с помощью встроенного насоса 8 системы нагнетания 7 подают воздух через перфорированные трубы 9 в нижнюю часть контейнера 1. Теплый воздух выдавливается из растительного сырья и удаляется через отверстия 2 в стенках контейнера с помощью открытого вентиля 12 по системе воздухоотведения со встроенным фильтром 11. По наклонному лотку жидкая фракция, поступающая из контейнера через отверстия 2, стекает в сокосборник, откуда периодически откачивается через вертикальный стояк. После удаления теплого воздуха из растительного сырья вентиль 12 системы воздухоотведения закрывают. По мере необходимости процесс повторяется.

Для повышения энергетической эффективности теплоутилизатора в рассматриваемой теплоутилизаторе целесообразно установить устройства для автоматического управления влажностью и температурой сырья. В этом случае вместо воздуха по трубам следует пропускать воду. Для интенсификации теплообмена трубы должны быть расположены горизонтальными рядами в несколько слоев. Используя, эти решения можно существенно увеличить количество преобразованной теплоты.

Выводы. Обзор литературы выявил актуальность разработки устройств для утилизации сельскохозяйственных отходов за счет преобразования выделяющейся при их разложении тепловой энергии в полезную форму. Кроме того, утилизация части тепловой энергии позволяет снизить температуру в зоне ферментации и предотвратить снижение скорости или остановку процесса. Повышение энергетической эффективности теплоутилизатора может быть достигнуто размещением теплообменной поверхности в слое перерабатываемого сырья и дополнением устройством для автоматического управления температурой и влажностью.