CC BY
9ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ
БЕЗОТХОДНЫЙ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
В АРИДНОЙ ЗОНЕ
А. Ч. Байриев, А. М. Пенджиев
Туркменский политехнический институт ул. Б. Аннанова, 1, Ашхабад, 744025, Туркменистан
Wasteless heliobiotechnological complex (WHC) is a closed ecologically pure system and includes heliobio greenhouse for the cultivation of tropical and subtropical crops with the simultaneous keeping of poultry and animals. Maintenance of a microclimate within one year is carried out with the help of thermal pumping installation, which allows to make heating in winter time and cooling in summer, which necessity is caused by climatic conditions of Turkmenistan, having sharply continental character. The work of the thermal pump is carried out with the help of gas-engine drive on the basis of the produced gas with the help of biogas installation, which uses wastes of vital activity of plants, poultry and animals being in helio greenhouses. At burning gas in gas-engine drive of the thermal pump wastes of carbonic gas (CO2) move in a greenhouse for intensification of photosynthesis process at plants. The product of photosynthesis of plants as oxygen 02 goes gas-engine drive of the thermal pump, and is used during vital activity of poultry and animals.
WHC is energetic economic system, as with the help of the thermal pump it is possible to utilize heat of low potential sources (in our case heat, reserved by ground massif on depth 1,5-2,0 m). Thus it is possible to receive in 3-4 times more thermal pump of a greenhouse, necessary for heating.
Use of WHC allows essentially to reduce the charges of fuel and energy resources within 70100 % due to the use of thermal pumping system of heat and cold supply and biogas installation. The economy of fuel promotes the reduction of emissions into the environment.
At the cultivation of plants in heliobio greenhouse due to the use of CO2, formed at burning methane in gas-engine drive, vital activity of poultry and animals is reached by the increase of efficiency of photosynthesis up to 13 %.
Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов — одна из актуальных проблем современности, от правильности решения которой зависит устойчивое состояние экосистемы.
Разработанный авторами безотходный гелио-биотехнологический комплекс (БГК) (рис. 1) предназначен для выращивания тропических и субтропических культур с одновременным содержанием птиц или животных в условиях аридной зоны Туркменистана. Безотходная технология основана на постоянной переработке отходов жизнедеятельности растений, животных и птиц. БГК представляет собой экологически чистую замкнутую систему, не требующую внешнего энергоснабжения от котельных или печных установок. Система использует тепло солнечной энергии и теплонасосной установки (ТНУ) с газомоторным приводом.
Основные элементы комплекса: гелиобиотеп-лица, ТНУ с газомоторным приводом и биогазовая установка. Данная компоновка комплекса обеспечивает его безотходность.
Гелиобиотеплица (ГБТ). За основу принята гелиобиотеплица, разработанная в НПО «Солнце» АН Туркменистана [1, 4, 5]. Это сооружение односкатного типа с продольной осью восток-запад, прозрачная поверхность которого ориентирована на юг и состоит из двух отсеков: отсека, где растут тропические и субтропические культуры, и отсека, где содержатся птицы или животные. Основная часть покрытия — прозрачная остекленная поверхность, расположенная под углом 45° к горизонту, а вспомогательная непрозрачная — под углом 20°. Биоаккумулятором тепла являются птицы или животные, отгороженные от растений прозрачной
Статья поступила в редакцию 25.05.2007 г. Ред. per. № 079. The article has entered in publishing office 25.05.2007. Ed. reg. No. 079.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8(52) 2007 © 2007 Научно-технический центр «TATA»
перегородкой. При содержании птиц общая площадь всех секций на 1 га гелиотеплицы составит около 3500 м2, что позволит одновременно содержать около 80 тыс. кур-несушек. Если в клетках поместить кур-несушек со средним весом 2,1-2,3 кг, то общий вес составит 170 т (или 340 условных голов скота). Такое количество живой массы выделяет в среднем 1010 Дж/сут., т. е. за счет использования тепла птиц или животных можно частично покрыть тепловые потери в гелиобиотеплице в зимнее время. В этом случае без дополнительных источников тепла можно поддерживать температуру воздуха в теплице около +10 °С при температуре воздуха окружающей среды -10 °С [1, 4, 5]. Приведенные данные показывают, что тепло, выделяемое птицами или животными, может быть рационально использовано в зимнее время для создания микроклимата в гелиобиотеплице.
В процессе жизнедеятельности животные и птицы потребляют кислород, а выделяют углекислый газ, причем установлено, что на 1 кг живой массы в течение суток потребляется 18,9 л кислорода (02), а выделяется 18,6 л углекислого газа (С02). С другой стороны, растения, находящиеся в гелиотеплице, при фотосинтезе выделяют кислород, а потребляют углекислый газ. Таким образом в гелиобиотеплице удается утилизировать эти газы в полном объеме.
Следует иметь ввиду, что продукты жизнедеятельности птиц или животных содержат вредные газы, такие как аммиак (№И3) и сероводород (И2Я), которые также могут быть утилизированы для производства удобрений, необходимых растениям, в виде аммиачной селитры и суперфосфата.
Другая часть продуктов жизнедеятельности в виде отходов подается в биогазовую установку для производства метана (СН4), который в дальнейшем используется в качестве топлива для привода газомоторного двигателя ТНУ.
0пределенные трудности содержания птиц, животных и растений возникают в летнее время, когда температура окружающего воздуха в аридной зоне Туркменистана превышает 4045 °С), а в гелиобиотеплице она может быть значительно выше. Установлено, что при содержании птиц и животных в закрытом помещении увеличение температуры воздуха выше оптимальной (18-22 °С) значительно снижает продуктивность, а при температуре выше 30 °С появляются различные болезни, что увеличивает падеж поголовья скота или птиц. Повышение температуры оказывает отрицательное влияние и на жизнедеятельность растений.
Согласно [1], температура внутри гелиоби-отеплицы при содержании птиц может быть определена по формуле:
12
T =-
378 + TH XKF
1+-X KF
где т — масса всех птиц, ^ — площадь ограждающих конструкций, К{ — коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций, Тв, Тн — температура внутреннего и наружного воздуха, соответственно.
Проблема снижения температуры воздуха до комфортной внутри гелиобиотеплицы в летнее время может быть решена с помощью ТНУ, которая способна охлаждать воздух.
Теплонасосная установка (ТНУ). В качестве ТНУ была использована установка, разработанная авторами в НПО «Солнце» АН ТССР [2]. Мировая практика показывает, что наиболее перспективной областью применения тепловых насосов является сельское хозяйство. Это объясняется тем, что многие объекты рассредоточены по территории, в связи с чем отсутствует возможность их подключения к сетям централизованного теплоснабжения, а также имеются различные местные (вторичные) энергоресурсы.
Тепловой насос — это устройство, преобразующее тепло низкого потенциала различных технологических процессов и окружающей среды в тепло более высокого потенциала. Несмотря на то, что они потребляют электроэнергию или нефтегазовые продукты на привод компрессора, суммарные расходы на отопление за счет использования тепла окружающей среды снижаются на 25-30 %.
Другой важной особенностью тепловых насосов является их универсальность, поскольку помимо отопления они могут работать и в режиме охлаждения. Выпускаемые в настоящее время тепловые насосы могут использовать тепло различных источников, таких как тепло грунтового массива, различных водоемов, включая и грунтовые воды, окружающего воздуха, бытовых и канализационных стоков или вентиляционных каналов.
Привод компрессора — электропривод или газомоторный двигатель. Применение газомоторного привода значительно увеличивает эффективность теплового насоса. Так, при дополнительном использовании отходящего тепла коэффициент Ктр = 5,8-7,0 (опытные данные), в то время как с электроприводом Ктр = 2,2-4,5. В нашем случае используется газомоторный привод, топливом для которого служит метан, вырабатываемый биогазовой установкой. Коэффициент преобразования тепла показывает, какое количество тепла можно передать потребителю на единицу затраченной энергии на привод компрессора.
Значительная эффективность ТНУ может быть достигнута при использовании их в гелио-
54
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8(52) 2007
© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»
IotJ
А. Ч. Байриев, А. М. Пенджиев
Безотходный биотехнологический комплекс в аридной зоне
теплицах, поскольку расход топлива на теплицы и парники составляет до 50 % общего расхода топлива при выращивании растений.
При использовании ТНУ важно правильно выбрать источник тепловой энергии. Температура окружающего воздуха зимой ниже 0 °С, что снижает коэффициент использования тепла Ктр и, следовательно, эффективность ТНУ, когда потребность в тепле как раз возрастает. Большой эффективностью обладают ТНУ, использующие вторичные энергоресурсы сельскохозяйственного производства, к которым относится тепло воздуха, отводимого из стойл и сушилок. Причем ТНУ используют почти все вторичное тепло, включая тепло конденсации паров, выдыхаемых животными. Хорошим источником тепла для ТНУ могут служить грунтовые воды, имеющие стабильную и относительно высокую температуру — 12-15 °С в зимнее время. В нашем случае в качестве низкопотенциального источника использовался грунтовый массив, где на глубине 1,5-2,0 м укладывалась трубная решетка, представляющая собой теплообменник, по которой циркулировала вода, отбирая при этом тепло. Экспериментальные исследования авторов показали, что коэффициент преобразования тепла при использовании электропривода Ктр = 3,3-3,5 [2, 5]. В дальнейшем была проведена доработка ТНУ, связанная с использованием газомоторного топлива. В качестве низкопотенциального источника, помимо грунтового массива, использовалось тепло отводимого воздуха из вентиляционной систем теплицы, где находятся птицы или животные.
При использовании ТНУ экономия топлива на обогрев гелиобиотеплицы может составлять 60-70 % и выше. Существенный эффект достигается при использовании ТНУ и в летнее время для охлаждения гелиобиотеплицы. В этом случае почти вдвое снижается срок окупаемости теплового насоса (в среднем 2-3 года).
Теплонасосная установка может быть изготовлена на базе серийно выпускаемых холодильных агрегатов, что позволит снизить стоимость тепловых насосов.
Использование грунтового массива в качестве источника тепловой энергии также увеличивает эффективность ТНУ при круглогодичной работе в режиме «отопление - охлаждение». В этом случае грунт выполняет функцию аккумулятора тепловой энергии, поскольку в летнее время при сбросе тепла он заряжается, а в зимнее время производится отбор тепла на более высоком температурном уровне.
В качестве топлива для газомоторного привода ТНУ используется метан, вырабатываемый биогазовой установкой на основе анаэробного брожения отходов жизнедеятельности птиц, животных и растений.
Биогазовая установка (БГУ). Одним из основных элементов БГК является биогазовая установка, перерабатывающая все виды отходов жизнедеятельности птиц, животных и растений путем анаэробного процесса метанового сбраживания. Анаэробное метановое сбраживание — сложный процесс, протекающий в анаэробных условиях, который позволяет получить горючий метан (СН4) и улучшить качество удобрений, получаемых из отходов. При переработке отходов устраняются неприятные запахи и предотвращается заражение людей и животных патогенными микроорганизмами.
Переработка различных видов отходов жизнедеятельности животных, птиц и растений методом анаэробного метанового сбраживания для получения горючего газа и удобрений позволяют создавать безотходные технологии при производстве сельскохозяйственной продукции. Использование биогазовой установки позволяют решать одновременно и экологические вопросы, поскольку существенно уменьшаются выбросы вредных веществ в окружающую среду и значительно улучшается экологическое состояние вокруг БГК. Необходимый температурный режим в течение всего года в самой биогазовой установке для оптимального процесса брожения обеспечивается ТНУ, которая в летнее время работает в режиме охлаждения, а в зимнее время — в режиме отопления.
За основу была принята биогазовая установка с биореактором секционного типа, разработанная в НПО «Солнце» АН ТССР [3, 5]. В установке расположен биореактор объемом 20 м3, который регулярно заполняется отходами жизнедеятельности животных, птиц и растений. Внутри биогенератора происходит процесс анаэробного метанового сбраживания с помощью микроорганизмов с выходом горючего метана. Получаемый газ подается в газгольдер объемом 2 м3, который служит накопителем. Система автоматики с помощью регулирующей аппаратуры поддерживает необходимую температуру для оптимального процесса брожения. Обычно процесс метанового брожения отходов в мезофиль-ном режиме проходит при температуре 35 °С, а в термофильном — при 55 °С. В процессе брожения производится непрерывное перемешивание содержимого в биореакторе с помощью фекального насоса, который осуществляет циркуляцию отходов в виде жидкой суспензии по замкнутому контуру.
Некоторые технологические показатели процесса переработки отходов биогазовой установки в мезофильном режиме приведены в таблице [3].
Принцип действия БГК. Технологический процесс в БГК (рис. 1) происходит по замкнутому циклу по безотходной технологии с выходом растительной и животной продукции. Основным
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8(52) 2007 © 2007 Научно-технический центр «TATA»
Наименование Показатели процесса
Суммарный выход биогаза, мл 2209
Удельный выход биогаза, мл/г 104,34
Содержание метана в биогазе, % 28,6
Суммарный выход метана, мл 632
Биологическая эффективность производства, мл/г 29,85
Интенсивность метаногенерации, мл/сут-ч 0,036
Производительность биореактора, мл/сут. 31,56
Интенсивность работы биореактора, мл/мл-сут. 0,063
Мощность биореактора, мл/сут. 250
Масса биогаза, г 3,552
элементом является ГБТ, где одновременно содержатся растения, птицы или животные. В процессе их жизнедеятельности в отсеке, где находятся растения, в процессе фотосинтеза выделяется кислород, который поступает в отсек для животных или птиц. С другой стороны, сами животные выделяют углекислый газ, который поступает растениям для интенсификации их развития. 0тходы жизнедеятельности растений, птиц и животных поступают в биогазовую установку, где происходит их переработка за счет анаэробного брожения с выходом горючего газа — метана (СН4). Получаемый при этом газ используется для газомоторного привода ТНУ. Помимо метана в биогазовой установке отходы брожения представляют собой высококачественное удобрение, которое в дальнейшем поступает в гелиотеплицу для подкормки растений.
Поддержание необходимого температурного режима в гелиобиотеплице (20-25 °С), в биогазовой установке для оптимального анаэробного брожения (28-35 °С) в течение года осуществляется ТНУ. Продукты сгорания газомоторного привода ТНУ в виде С02 поступают в гелиобиотеплицу с растениями. В зимнее время часть тепловой энергии поступает и от солнечной энергии.
С помощью вентиляционной системы происходит непрерывный воздухообмен между отсеками, где находятся растения и животные или птицы. Поскольку птицы или животные выделяют значительное количества тепла, то с помощью ТНУ это тепло используется в зимнее время для отопления ГБТ, а в летнее время это тепло сбрасывается в грунтовый массив, заряжая его.
Таким образом, БГК удается утилизировать все виды отходов. Не требуется внешнего энергоснабжения за счет традиционных источников тепловой энергии, что позволяет создавать автономные сельскохозяйственные объекты. При этом достигается существенная экономия топливно-энергетических ресурсов. Использование БГК позволит создавать автономные безотходные комплексы практически во всех регионах аридной зоны Туркменистана, что будет способствовать решению продовольственной программы и улучшению аридной экосистемы.
Список литературы
1. Авлякулиев Дж., Мезилов А., Реджепов К. Эффективность и перспектива использования биогенератором тепла. Ашхабад, 1985.
2. Байриев А. Ч. Научно-технические основы разработки теплонасосной системы теплохло-доснабжения автономных потребителей с использованием нетрадиционных источников низкопотенциального тепла. Автореф. дис. ... д-ра наук. Ашхабад, 1993.
3. Келов К. Разработка научных основ технологии метанового сбраживания отходов животноводства и создание биогазовых установок с использованием солнечной энергии. Автореф. дис. ... д-ра наук. Ашхабад, 1990.
4. Пенджиев А. М. Агротехника выращивания дынного дерева (Carica papay L.) в условиях защищенного грунта в Туркменистане. Ав-тореф. дис. ... д-ра наук. М., 2000.
5. Рыбакова Л. Е., Пенджиев А. М. Энергия барада сохбет. Ашхабад, 1993.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8(52) 2007
© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»
