Применение биогаза для сельскохозяйственного производства Республики Бурятия Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 621.182:658.26

ПРИМЕНЕНИЕ БИОГАЗА ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

РЕСПУБЛИКИ БУРЯТИЯ

© 2017 г. Ю.Ц. Бадмаев, С.Н. Кушнарёв, Ю.А. Сергеев

В последнее время особую значимость приобретают комплексные исследования по использованию биогаза для автономных сельскохозяйственных энергопотребителей. Представлены методы проводимых исследований, т.е. основные этапы подготовки биогаза к использованию, теплоэнергетические характеристики биогаза при применении в теплоэнергетических установках. Произведён расчёт теплового баланса и коэффициента полезного действия котла при эксплуатации на биогазе. Также представлены полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований при применении биогаза - биотоплива. По результатам исследований разработана опытная биоэнергетическая установка с анаэробным биофильтром, применение которого позволяет постоянно иметь запас биомассы метанобразующих микроорганизмов, что обеспечивает устойчивое ведение биотехнологического процесса переработки органических стоков и интенсифицирует процесс образования биогаза. Полученный в результате переработки органических отходов животноводства биогаз является дополнительным источником энергии для малых сельхозпредприятий, но эксплуатация такой установки связана с суровыми природно-климатическими условиями Бурятии, когда температура окружающей среды колеблется в границах -30...+30 °С, и поэтому эффективность образования биогаза для хозяйств населения будет достигнута путём монтажа установки в помещении котельной.

Ключевые слова: теоретическое исследование биогаза, осушка, очистка, использование, теплоэнергетическая установка.

Comprehensive researches оп the use of a biogas for the autonomous agricultural energy-users recently acquire special significance. In the article are represented the methods of the researches, i.e., the basic stages of the preparation of biogas for the use, the heat-power engineering characteristics of biogas during the application in the heat-power engineering devices, is produced the calculation of heat balance and efficiency of boiler with the operation on the biogas. The obtained results of theoretical studies during the application of the biogas - biofuel, are also represented. According to the research test bioenergy installation with anaerobic biofilter is developed. This biofilter allows you to constantly have a supply of a biomass of methanogenic microorganisms, which ensures the sustainable operation of biotechnological processing of organic waste water and enhances the process of biogas formation. Biogas received during the processing of organic waste of animal breeding, is an additional energy source for small-scale producers. But the operation of the device is due to the harsh climatic conditions of Buryatia, when the temperature ranges from -30...+30 °C and, therefore, the efficiency of biogas for households is achieved by setting up the boiler room.

Keywords: theoretical researches of biogas, drainage, cleaning, use, heat-power engineering installation.

Введение. В последнее время в Республике Бурятия все большее внимание привлекают возобновляемые источники энергии для получения электрической и тепловой энергии, к одним из видов которых относится биогаз, получаемый путем анаэробного сбраживания органических отходов животноводства, т.к. основное поголовье крупного рогатого скота (КРС) содержится в хозяйствах населения, которое составляет 278,7 тыс. голов (73,9% из общего количества поголовья КРС в республике) [1, 2, 3], т.е., если животное в среднем в сутки содержится 10 часов во дворе, то годовое образование органических отходов составляет 871,44 тыс. тонн/год от всего поголовья КРС. В связи с этим особую значимость приобретают комплексные исследования по переработке органических отходов КРС хозяйств населения и разработка высокоэффективных технологий получения биогаза и удобрений в более короткие

сроки с наименьшими трудовыми и энергетическими затратами [4, 5, 6].

Условия и методы исследования. Научные исследования, проводимые нами, направлены для решения энергетических проблем хозяйств населения путём разработки и внедрения высокоэффективной биоэнергетической технологии типа БГУ, и для этого поставлены следующие задачи: создание модельного полигона для отработки и демонстрации технологии анаэробной переработки экскрементов КРС (рисунок 1) с общей производительностью установки 1,0 м3/сут при температуре технологического процесса 36-37 °С (мезофильный режим); повышение эффективности переработки экскрементов и увеличение производительности БГУ по образованию биогаза.

Интенсивная технология получения биогаза и удобрений для хозяйств населения основана на применении анаэробного биофильтра (АБ) в камере сбраживания БГУ (рисунок 2), т.е.

происходит увеличение процесса метаногенеза за счет использования перемещающихся развитых поверхностей с иммобилизированными на них метаногенными сообществами, имеющими большую поверхность контакта со сбраживае-

мым сырьём, что обеспечивает более высокие скорости сбраживания и повышает выход биогаза с единицы рабочего объема биореактора [8, 9].

1 - ферма; 2 - котельная; 3 - жилое здание; 4 - сборник-теплообменник; 5 - биореактор; 6 - газгольдер; 7 - котел; 8 - отделитель грубых включений; 9 - погружной насос; 10 - насос-дозатор; 11 - компрессор; 12 - газогенератор; 13 - теплообменник; 14 - иммобилизационное устройство (биофильтр) (А - жидкий навоз; Б - биогаз; В - вода горячая) Рисунок 1 - Технологическая схема биогазовой установки типа БГУ для анаэробной переработки органических отходов КРС хозяйств населения Бурятии

1 - рама-каркас (нержавеющая сталь); 2 - соединительное кольцо; 3 - лопасть (перемещающиеся поверхности с иммобилизованными метанообразующими микроорганизмами);

4 - шнур капроновый; 5 - вал Рисунок 2 - Анаэробный биофильтр (АБ)

Биофильтр устанавливается внутри камеры сбраживания реактора и предназначен для повышения эффективности работы БГУ [7, 8], т.е. увеличения процесса метаногенеза за счет использования перемещающихся развитых поверхностей с иммобилизованными на них ме-

таногенными сообществами и представляет собой форму цилиндра жесткой конструкции (рисунок 2).

В таблице приведены технические характеристики биоэнергетической установки БГУ в зависимости от объемов биореактора.

Технические характеристики БГУ для хозяйств населения

Характеристика Производительность Потребитель, использование биогаза

Объем биореактора, м3 габаритные размеры (диаметр * высота, м) по биогазу, м3/сут в пересчете на теплоэнергию, кВтч

0,5 (0,9 х 1,2) 1,0(1,1x1,4) 2,0(1,4x1,7) 0,5 1,0 2,0 3,2 6,4 12,8 Частный сектор, на бытовые нужды

Известно, что биогаз, получаемый из органических отходов животноводства, представляет собой смесь газов, основными компонентами которого являются метан и углекислый газ. Условия получения и наличие в их составе вредных и балластных примесей диктуют необходимость предварительной обработки биогаза перед использованием в тепловых установках. Для обеспечения функциональной и эксплуатационной безопасности, а также безопасной работы персонала газ должен быть предварительно очищен от вредных компонентов.

От дозы загрузки исходного сырья в биореактор зависят эффективность процесса сбраживания, степень разложения органического вещества и объемы образования биогаза [8, 9].

Суточную дозу загрузки биореактора находим по следующей формуле:

(1)

I = у, м3/сут,

/.= — = 0,5, м3/сут, 6

где Мб-объем биореактора (м3);

время сбраживания органических отходов (сутки).

Потребность в энергии для малых сельскохозяйственных предприятий определяется исходя из суммы всех потребителей, где также необходимо учитывать потребность биогаза на собственные нужды биоустановки, которая в условиях Бурятии составляет от 15% до 30% в зависимости от времени года. Потребность биогаза для предприятия можно определить по количеству энергии, потребляемой по годовым отчётам.

Определяем суточное поступление отходов из фермы КРС Шбм по формуле

~ X Nжтт, кг/сут, (2)

где Л/ж- количество животных]-го вида, гол.; тут - суточный выход экскрементов от/-го животного, кг/гол.

Шбм= 10 40 = 400 кг/сут. Определяем долю сухого вещества в биомассе тсв:

т — т

'"ев ш

1

<Ря

\

100

, кг/сут,

(3)

где фбм- влажность биомассы, %.

( 90 ^

тсв = 400 •

100

= 40 кг/сут.

Определяем долю сухого органического вещества тсов по формуле

тсов = Шсв'Рсов, кг/сут, (4)

где рсов - доля органического вещества в сухом веществе, д.е., тсов = 40 • 0,8 = 32 кг/сут. Определяем выход биогаза Улол, м3, при полном разложении сухого органического вещества:

Улол = тсов ■ Пэк, м3, (5)

где Пэк- выход биогаза из 1 кг СОВ, для коровника лэк= 0,415 м3/кг. Упал = 32-0,415 = 13,28 м3. Определяем объем полученного биогаза Уе, м3, при выбранной продолжительности метанового брожения:

К-Ко.^' И3/сут, (6)

где П(- доля выхода биогаза при данной продолжительности брожения, лр 50%.

К. = 13,28 —= 6,64 мз/сут.

6 100 Месячное образование биогаза: Уб^ = 30 • Ув = 30 • 6,64 = 199,2 м3/мес. (7) Годовая выработка биогаза:

= 365 ■ УБ, (8)

Уб^= 365 ■ 6,64 = 2423,6 м3/год. Компенсация энергетических составляющих полученного биогаза при переводе в другие

энергетические составляющие в год будет выглядеть следующим образом:

Увыхгэзэ = 2423,6 м3/год = 9694,5 кВт/ч тепловой энергии = 238620 МДж/год = 5820 л диз. топлива/год [10].

Выводы

1. По результатам экспериментальных исследований разработана опытная биоэнергетическая установка (БГУ) с анаэробным биофильтром (АБ), применение которого в камере сбраживания биореактора позволяет постоянно иметь запас биомассы метанобразующих микроорганизмов, что обеспечивает устойчивое ведение биотехнологического процесса переработки органических стоков и интенсифицирует процесс образования биогаза с единицы перерабатываемого сырья в 3-3,5 раза.

2. Полученный в результате переработки органических отходов животноводства биогаз с годовым производством 2423,6 м3/год является дополнительным источником энергии для малых сельхозпредприятий, а также автономным источником энергии для самой БГУ, энергосодержание которого составляет 23-25 мДж/м3, т.е. позволят отказаться от дорогостоящих традиционных энергоносителей.

3. Эксплуатация БГУ связана с суровыми природно-климатическими условиями Бурятии, когда температура окружающей среды колеблется в границах -30...+30 °С, и поэтому эффективность образования биогаза для хозяйств населения будет достигнута путём монтажа установки в помещении котельной.

Литература

1. Бурятия в цифрах II Краткий статистический сборник № 1,01-01-13. - Улан-Удэ: Бурятстат, 2015. - 90 с.

2. Панцхава, Е.С. Биоэнергетика в современном и будущем сельскохозяйственном производстве. Продовольственная безопасность. Гелиоэнергетика - новая научно-техническая революция XXI века: монография / Е.С. Панцхава. - Москва: РУСАЙНС, 2017. - 306 с.

3. Биогазовые технологии как инновационный аспект альтернативной энергетики России: основные понятия и перспективы использования / В.Н. Бурмистров и др. II Электрика. - 2012. - № 5. - С. 40-47.

4. Панцхава, Е.С. Электростанции на биотопливе (биомассе): монография / Е.С. Панцхава. - Москва: РУСАЙНС, 2016.-340 с.

5. Гордеев, A.C. Энергосбережение в сельском хозяйстве / A.C. Гордеев, Д.Д. Огородников, И В. Юдаев. -Санкт-Петербург-Москва-Краснодар: Лань, 2014. - 400 с.

6. Факторы, сдерживающие внедрение биогазовых установок в крестьянско-фермерских хозяйствах /H.A. Соколова, Н.М. Веселова, В.Ф. Каблов, В.И. Костин, И.В. Юдаев// Взаимодействие научно-исследовательских

подразделений промышленных предприятий с целью повышения эффективности управления и производства: 6-я Межрегиональная научно-практическая конференция, 18-19 мая 2010, г. Волжский; ВПИ - филиал ВолгГТУ. -Волгоград, 2010.-С. 36-39.

7. Бадмаев, Ю.Ц. Анаэробная переработка навозных стоков животноводства / Ю.Ц. Бадмаев, И.Б. Шагды-ров II Инженерные проблемы в сельском хозяйстве и промышленности: материалы Международн. научн,-практич. конференции. - Улан-Батор: Изд-во Монг. СХУ, 2010.-С. 120-124.

8. Бадмаев, Ю.Ц. Эффективная переработка органических стоков в Байкальском регионе с применением анаэробного биофильтра / Ю.Ц. Бадмаев II Вестник КрасГАУ. - 2009. - Вып. 7(34). - Красноярск: Изд-во Крас-ГАУ.-С. 172-174.

9. Бадмаев, Ю.Ц. Эффективность производства биогаза для предприятий АПК Байкальского региона / Ю.Ц. Бадмаев, А.А. Ковалев, М.В. Федоров II Энергетический вестник Санкт-Петербургского ГАУ: сб. научн. трудов. - Санкт-Петербурское изд-во С-ПГАУ, 2009. -С. 227-231.

10. Бадмаев, Ю.Ц. Интенсивная технология анаэробной переработки органических стоков в Байкапьском регионе / Ю.Ц. Бадмаев II Вестник Бурятской ГСХА им. В.Р. Филиппова. - 2009. - № 3(16). - С. 157-159.

References

1. Burjatija v cifrah: Kratkij statisticheskij sbornik № 1, 01-01-13, Ulan-Udje, Burjatstat, 2015,90 p.

2. Panchava E.S. Biojenergetika v sovremennom i budushhem sel'skohozjajstvennom proizvodstve. Prodo-vol'stvennaja bezopasnost'. Geliojenergetika - novaja nauch-no-tehnicheskaja revoljucija XXI veka: monografija [Bioenergy in the present and future agricultural production. Food security. Solar power - the new scientific-technical revolution of the XXI century: monograph], Moscow, RUSAJNS, 2017, 306 p.

3. Burmistrov V.N. i dr. Biogazovye tehnologii kak in-novacionnyj aspekt al'temativnojj energetiki Rossii: osnovnye ponjatija i perspektivy ispol'zovanija [Biogas technology as an innovative aspect of alternative energy in Russia: concepts and prospects], Jelektrika, 2012, No5, pp. 40-47.

4. Panchava E.S. Jelektrostancii na biotoplive (bio-masse): monografija [Power plants on biofuel (biomass): monograph], Moscow, RUSAJNS, 2016, 340 p.

5. Gordeev A.S., Ogorodnikov D.D., Judaev I.V. Jenergosberezhenie v sel'skom hozjajstve: monografija [Energy saving in agriculture: monograph], Saint-Petersburg-Moscow-Krasnodar, Lan', 2014, 400 p.

6. Sokolova N.A., Veselova N.M., Kablov V.F., Kos-tin V.I., Judaev I.V. Faktory, sderzhivajushhie vnedrenie bio-gazovyh ustanovok v krest'jansko-fermerskih hozjajstvah [The factors preventing the implementation of biogas units in farm households], Vzaimodejstvie nauchno-issledovatel'skih podrazdelenij promyshlennyh predprijatij s cel'ju povyshenija jeffektivnosti upravlenija i proizvodstva: 6-ja Mezhregio-nal'naja nauchno-prakticheskaja konferencija, 18-19 maya 2010 g„ g. Volzhskij, VPI - filial VolgGTU, Volgograd, 2010, pp. 36-39.

7. Badmaev Yu.C., Shagdyrov I.B. Anajerobnaja pe-rerabotka navoznyh stokov zhivotnovodstva [Anaerobic digestion of animal manure stocks. Engineering problems in

agriculture and industry], Inzhenernye problemy v sel'skom hozjajstve i promyshlennosti: materialy Mezhdunarodn. nauchn.-praktich. konferencii, Ulan-Bator, lzd-vo Mong. SHU, 2010, pp. 120-124.

8. Badmaev Ju.C. Jeffektivnaja pererabotka organi-cheskih stokov v Bajkal'skom regione s prlmenenlem anaje-robnogo biofil'tra [Effective treatment of organic wastewater in the Baikal region with the use of anaerobic biofilter], Vestnik KrasGAU, 2009, Vyp. 7(34), Krasnojarsk, lzd-vo KrasGAU, pp. 172-174.

9. Badmaev Ju.C., Kovalev A.A., Fedorov M.V. Jef-fektivnost' proizvodstva biogaza dlja predprijatij APK Baj-kal'skogo regiona [The effectiveness of biogas production for agricultural enterprises of the Baikal region], Jenergeticheskij vestnik St.-Peterburgskogo GAU: sborn. nauchn. trudov, lzd-vo S-PGAU, 2009, pp. 227-231.

10. Badmaev Ju.C. Intensivnaja tehnologija anajerob-noj pererabotki organicheskih stokov v Bajkal'skom regione [Intensive technology of anaerobic digestion of organic effluents in the Baikal region], Vestnik Burjatskoj GSHA im. V.R. Filippova, 2009, No 3(16), pp. 157-159.

Сведения об авторах

Бадмаев Юрий Цырендоржиевич - старший преподаватель кафедры «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», ФГБОУ ВО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова» (г. Улан-Удэ, Российская Федерация).

Кушнарев Сергей Николаевич - старший преподаватель кафедры «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», ФГБОУ ВО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. BP. Филиппова» (г. Улан-Удэ, Российская Федерация). E-mail: [email protected].

Сергеев Юрий Антонович - доктор технических наук, профессор кафедры «Механизация сельскохозяйственного производства», ФГБОУ ВО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия имени В.Р. Филиппова» (г. Улан-Удэ, Российская Федерация). E-mail: m [email protected].

Information about the authors

Badmaev Yuri Tyrendorzhievich - senior lecturer of the Electrification and automation of agriculture department, FSBEI HE «Buryat State Agricultural Academy named after V.R. Filippov» (Ulan-Ude, Russian Federation).

Kushnarev Sergey Nicolaevich - senior lecturer of the Electrification and automation of agriculture department, FSBEI HE «Buryat State Agricultural Academy named after V.R. Filippov» (Ulan-Ude, Russian Federation). E-mail: [email protected].

Sergeev Yuri Antonovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Mechanization of agricultural production department, FSBEI HE «Buryat State Agricultural Academy named after V.R. Filippov» (Ulan-Ude, Russian Federation). E-mail: [email protected].

УДК 620.9

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ ЗА СЧЕТ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

© 2017 г. Р. А. Амерханов, И.С. Авджян

Рассмотрена проблема внедрения возобновляемых источников энергии в сельское хозяйство Краснодарского края, в частности для теплиц различного типа. Проанализированы особенности географической позиции и климата городов Краснодарского края. Выявлена и обоснована необходимость использования возобновляемых источников энергии в системе ее видов (солнечная энергия и ветровая энергия), а также в комбинации с внешней сетью. На основе проведенного исследования автором предлагается способ электроснабжения теплицы с использованием возобновляемых источников энергии, которая применима в теплицах гидропонного типа, где помимо электроснабжения помещений необходимо также производить подогрев подаваемой воды. В теплице необходимо использовать солнечные пластины, устанавливаемые непосредственно на крыше и осуществляющие нагрев подаваемой воды. Также в системе необходим ветрогенератор, который должен располагаться как можно ближе к объекту и осуществлять нагрев помещения за счет преобразования кинетической энергии воздушных масс. Немаловажным фактором должна быть взаимозаменяемость двух составляющих станции в зависимости от погодных условий. Использование возобновляемых источников энергии в Краснодарском крае и других регионах целесообразно в комбинированном варианте, чтобы данная система была взаимозаменяемой. Но учитывая возможности нашей страны и края в отношении ресурсов, схему можно сделать гибридной, т.е. добавить внешнюю сеть, чтобы полностью избежать перебоев в аварийных ситуациях и увеличить экономическую выгоду за счет применения возобновляемых ресурсов.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, солнечная энергия, энергия ветра, теплица, сельское хозяйство, природные ресурсы.

The problem of implementing renewable energy sources in agriculture in Krasnodar region in particular for the different types of greenhouses is considered. The peculiarities of the geographical position and climate of towns of Krasnodar region is analyzed. The necessity of the use of renewable energy sources in the system of its types (solar energy and wind energy), as