CC BY
36
manure and straw. Park considered technical slurry, semi-liquid manure, straw, organic ferti-
means implementing the proposed technology. lizer, concentrated organic compost. Keywords: natural and agricultural areas, УДК 631.1.004.18:636.22/28
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПРЕССИОННОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА В СИСТЕМЕ ОЧИСТКИ НАВОЗНЫХ СТОКОВ
Д.А. Ковалев, кандидат технических наук, зав. отделом А.А. Ковалев, инженер
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства E-mail: [email protected]
В работе приведены основные зависимости энергетического баланса установок для анаэробной обработки органических субстратов. Показаны технологическая схема и порядок работы системы очистки навозных стоков на основе их анаэробно-аэробной обработки с использованием компрессионного теплового насоса в системе теплоснабжения установки для анаэробного сбраживания.
Ключевые слова: компрессионный тепловой насос (КТН), биогазовая установка, рекуперация теплоты, аэробная обработка навозных стоков.
В условиях крупнотоварных ферм, особенно свинокомплексов, при образовании большого количества жидких органических отходов на относительно малых площадях значительно возрастают энергетические затраты, связанные с их переработкой и вывозом на поля. Наиболее вредное влияние на окружающую среду оказывают промышленные комплексы, на которых для уборки навоза применен гидросмыв. Такие свинокомплексы являются источником получения жидких стоков с высоким содержанием твердых органических включений, растворимых органических веществ и биогенных элементов (азота, фосфора, калия).
По своему химическому составу животноводческие стоки, с одной стороны, являются ценным органическим удобрением, с другой стороны - представляют потенциаль-
ную опасность в эпидемиологическом и токсикологическом отношении. При бесконтрольном их использовании почва, грунтовые воды, воздух, растения могут загрязняться токсическими веществами, возбудителями инфекций и инвазии.
В настоящее время для обработки сточных вод животноводческих комплексов наиболее широкое распространение получил аэробный метод очистки. Однако опыт эксплуатации очистных сооружений, основанных на применении этого метода, показал, что требуемый уровень очистки не достигается, что ведет к повышенному расходу электроэнергии на обработку навозных стоков в аэротенках. Главная причина этого -высокая концентрация органических веществ, находящихся в стоках, подаваемых на обработку в аэротенки. Особенно актуальна эта проблема для крупных комплексов, не располагающих достаточным количеством поливных земель для утилизации. При этом необходима переработка навозных стоков с целью их обеззараживания и очистки с дальнейшим использованием на полив меньшей, чем изначально требовалось, площади, сбросом на канализацию, в водоем или повторным использованием [2].
Одним из путей решения данной проблемы является применение предварительной анаэробной обработки стоков в общей технологической линии их утилизации. Применение анаэробной обработки навозных стоков перед подачей их в аэротенки позволяет
Journal of VNIIMZH №3-2014
149
частично конверсировать растворенные органические вещества в биогаз, обеспечить их седиментацию в первичных отстойниках и, в конечном итоге, добиться требуемого уровня концентрации загрязнений для эффективной аэробной очистки.
Однако, несмотря на положительные стороны анаэробной обработки органических отходов, она имеет существенный недостаток - для обеспечения температурного режима в биогазовой установке требуется значительное количество выработанного биогаза (до 60%).
Основные формулы энергетического баланса установок для анаэробной обработки органических субстратов приведены ниже.
Эффективное производство энергии при анаэробной обработке органических субстратов, согласно, возможно лишь в случае, когда суммарная энергия полученного биогаза будет значительно превышать расходы энергии на поддержание процесса анаэробного сбраживания, т. е. должно выполняться условие
где Уг - общее количество полученного биогаза, м3/сут.;
X - теплотворная способность биогаза, кДж/м ;
ЕСН - расход электроэнергии на собственные нужды установки, кВт-ч;
цэл - КПД преобразования энергии биогаза в электроэнергию;
0.сн - расход тепловой энергии на собственные нужды установки, кВт-ч;
% - КПД преобразования энергии биогаза в тепловую энергию.
Количество товарной (неиспользованной на собственные нужды установки для анаэробной обработки) энергии [кВт-ч] может быть представлено как
= Шй —1 ^Сй/«эл + I (2)
где - товарная энергия (тепловая,
электрическая, механическая, потенциальная в зависимости от системы преобразования энергии биогаза), кВт-ч;
пи
(ЕСН/ + Цен/ I I /Цэл + /Щ I
- КПД преобразования энергии биогаза в различные виды энергии;
Q т - товарная тепловая энергия, кВт-ч;
Расход тепловой энергии на собственные нужды установки равен:
Цен = Цн+Цк - Цр (3)
где Qн - расход энергии на предварительный нагрев субстрата до температуры брожения, кВт-ч;
Qк - суточный расход энергии на компенсацию теплопотерь от ограждающих конструкций и трубопроводов, кВт-ч;
Qр - количество рекуперированной энергии, кВт-ч.
Расход теплоты на предварительный нагрев субстрата [кВт-ч] определяется как
Сн * рн *УН * (Тн — 71) *п
Он = Н -Н Н----(4)
уН 24 * 3600 ( )
где сн - теплоемкость субстрата, кДж/(кг 0С);
рн - плотность субстрата, кг/м ;
Ун - суточная доза загрузки, м3/сут;
ТН - конечная температура нагрева субстрата, С;
Т1 - исходная температура субстрата, 0С;
п - число часов работы теплового насоса в сутки, ч/сут.
Среднесуточный расход теплоты [кВт-ч], необходимый для компенсации теплопотерь через ограждающие поверхности биореактора при среднегодовой температуре наружного воздуха
^ = к*Р* (Тн — Тв) * 10-3 * 24 (5)
где к - коэффициент теплопередачи, Вт/м2К;
Г - площадь ограждающих поверхностей биореактора, м2;
Тн - температура субстрата в биореакто-ре,0С;
Тв - температура наружного воздуха, С.
Максимальное суточное количество низкопотенциальной теплоты эффлюента, [кВт]:
_Сн*рн*Ун* (Тэфф — Тох т1п) * 10-3
Qeff
(6)
24 * 3600
где Тэфф - температура эффлюента, поступающего для отбора теплоты, 0С;
Тох тш - температура эффлюента в отстойнике, необходимая для прекращения остаточного газовыделения, С.
Среднесуточное количество рекуперируемой теплоты [кВт-ч]:
о <дР < (7)
где - КПД 1-го средства рекуперации тепловой энергии эффлюента.
Одним из способов повышения энергетической эффективности биогазовых установок является использование термотрансформаторов для рекуперации теплоты эффлюента в системе теплоснабжения [1].
В данной работе рассматривается система очистки органических отходов с применением компрессионного теплового насоса в качестве средства рекуперации теплоты эф-флюента.
Приводом компрессора теплового насоса и воздуходувки аэротенка является двигатель внутреннего сгорания. Учитывая вышесказанное и то, что теплота эффлюента отбирается только после анаэробной обработки, формулы (2), (6) и (7) примут следующий вид:
^т! + Qт/ _ Уг*Л (Ег
Ык + 'Пт _ '
Сн*Рн*
* (Тн - Тох т1п) * 1°-
24 * 3600
И £
(9)
'Лк + ~'Цт _ 3600 {сн/ъ. где - КПД преобразования энергии биогаза в потенциальную энергию сжатого воздуха;
+
дсн/Лт) (8)
0 <QP < *{т=1)*п (10)
где е - коэффициент преобразования теплового насоса с учетом изоэнтропического и механического КПД компрессора теплового насоса.
Схема системы очистки навозных стоков приведена на рисунке 1.
Система очистки навозных стоков состоит из емкости предварительного нагрева, в котором смонтирован теплообменник; анаэробного биореактора с внутренним теплообменником для поддержания температурного режима сбраживания и выгрузными устройствами, которые связаны с отстойником эф-флюента. В отстойнике эффлюента смонтирован теплообменник для отбора тепловой энергии от эффлюента.
Осветленная фракция из отстойника эф-флюента поступает в аэротенк для последующей очистки, и далее в отстойник. В отстойнике осветленная фракция после аэрации разделяется на очищенную жидкость и избыточный ил, который направляется в емкость предварительного нагрева и после смешивания с исходным субстратом направляется в анаэробный реактор.
Рис. 1. Технологическая схема системы очистки навозных стоков: 1 - емкость предварительного нагрева; 2 - насос загрузки; 3 - блок утилизации теплоты от ДВС; 4 - насос циркуляции теплоносителя; 5 - теплообменник анаэробного биореактора; 6 - анаэробный биореактор; 7 - отстойник эффлюента; 8 - насос перемешивания субстрата; 9 - компрессионный
:>::::: л:
к ДВС
тепловой насос; 10 - теплообменник-охладитель; 11 - теплообменник-нагреватель; 12 - ДВС;
Journal of VNHMZH №3-2014
151
13 - воздуходувка; 14 - газголь
Теплообменник, расположенный в отстойнике эффлюента, посредством трубопроводов соединен с испарителем теплового насоса. В испарителе теплового насоса происходит теплообмен между подготовленной водой и низкопотенциальным хладагентом, который после повышения энергетического потенциала в компрессоре теплового насоса направляется в конденсатор теплового насоса. Теплообменник, расположенный в емкости предварительного нагрева, посредством трубопроводов соединен с конденсатором теплового насоса.
В конденсаторе теплового насоса происходит теплообмен между высокопотенциальным хладагентом и подготовленной водой, которая затем направляется в теплообменник, расположенный в емкости предварительного нагрева, где происходит теплообмен между подготовленной водой и ин-флюентом, в результате чего инфлюент нагревается до рабочей температуры процесса сбраживания и подается в анаэробный биореактор [1].
Весь выработанный биогаз используется в ДВС для привода воздуходувки аэротенка и компрессора теплового насоса.
Теплота из блока утилизации теплоты от ДВС в зимний период (с декабря по февраль включительно) используется для компенсации тепловых теплопотерь через ограждающие поверхности биореактора (компрессионный тепловой насос работает только на предварительный нагрев субстрата), а в летний период - для нужд потребителей.
В процессе расслоения обработанного субстрата в отстойнике эффлюента сгущенная фракция эффлюента скапливается в нижней (осадочной) части аппарата. Из-за значительной концентрации анаэробных ме-таногенных микроорганизмов и наличия остаточного органического вещества субстрата в осадочной части развивается анаэробный процесс с выделением биогаза.
р; 15 - аэротенк; 16 - отстойник
Всплывающие пузырьки биогаза являются причиной резкого падения интенсивности процесса расслоения обработанного субстрата, так как развивается процесс встречного переноса твердой фазы за счет биофлотации.
Размещение в нижней части отстойника эффлюента охладителя эффлюента приводит к резкому снижению температуры осажденной биомассы и, как следствие, к соответствующему снижению остаточного газовыделения. В конечном счете, сокращается продолжительность процесса разделения эф-флюента на фракции.
Кроме того, прямой привод воздуходувки аэротенка и компрессора теплового насоса от двигателя внутреннего сгорания позволяет использовать энергию биогаза без дополнительного преобразования в электрическую энергию, что повышает энергетический КПД системы обработки органических отходов.
Литература:
1. Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Харченко В.В. Сравнительные показатели работы тепловых насосов абсорбционного и компрессионного типа в системе теплоснабжения биогазовых установок // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2012. №4. С. 2426.
2. Ковалев Д.А. Совершенствование технологии очистки навозных стоков свинокомплексов: дис. к. т. н. М., 2004.
The article presents the main dependences of the energy balance of installations for anaerobic treatment of organic substrates. Shown technological diagram and operating procedure of systems for treatment of manure based on its anaerobic-aerobic treatment using compression thermal pump in heating system of installation for anaerobic digestion.
Keywords: the compression thermal pump (СТР), biogas installation, heat recovery, aerobic treatment of liquid manure.
