Главное меню
Реклама

`

Биогазовые установки

Возможности применения в фермерских хозяйствах
и тепличном овощеводстве

Основная доля эксплуатационных расходов в защищенном грунте приходится на тепловую энергию, в связи с чем конструкция теплиц должна соответствовать минимальным расходам на единицу инвентарной площади теплицы.
Для круглогодичной эксплуатации теплиц наибольший расход тепла приходится на январь — февраль и ноябрь — декабрь. Чтобы уменьшить расход тепла, эксплуатацию теплиц начинают, когда значительно увеличивается приток энергии солнечной инсоляции. Поэтому выгоднее эксплуатировать теплицы в южных районах.

Возможности применения в фермерских хозяйствах
и тепличном овощеводстве

Основная доля эксплуатационных расходов в защищенном грунте приходится на тепловую энергию, в связи с чем конструкция теплиц должна соответствовать минимальным расходам на единицу инвентарной площади теплицы.
Для круглогодичной эксплуатации теплиц наибольший расход тепла приходится на январь — февраль и ноябрь — декабрь. Чтобы уменьшить расход тепла, эксплуатацию теплиц начинают, когда значительно увеличивается приток энергии солнечной инсоляции. Поэтому выгоднее эксплуатировать теплицы в южных районах.
В бытность СССР вся территория была разделена на 7 световых зон по суммарным среднемесячным температурам ФАР (фотосинтетическая активная радиация). Территория Украины располагается, соответственно, в 4-й, 5-й и 6-й световых зонах.
Серьезные исследования по изучению теплового баланса сооружений защищенного грунта, в том числе теплиц, были проведены в первой половине прошлого века в Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева под руководством профессора В. И. Эдель­­­штейна. На основании среднесуточных данных о приходе и расходе тепла исчислялись среднемесячный и годовой дефицит тепла (рис. 1) и расход топлива. Согласно расчетам, в Московской области (3-я световая зона) годовой дефицит тепла примерно равен от 77 000 до 1 200 000 ккал/м2 теплиц. При теплотворной способности 1 кг антрацита, равной 7000 ккал, и КПД топливной установки 0,6 для покрытия дефицита тепла на 1 м2 теплицы необходимо сжигать около 300 кг антрацита.
Перевод в свое время теплотехнических установок с твердого на жидкое и газообразное топливо позволяет повысить экономичность на 15–20%.
Наиболее дешевыми источниками тепла в 70-е годы прошлого века считались природный газ, тепловые отходы промышленных предприятий и термальные воды. Самым эффективным источником тепла был признан природный газ, использование которого позволяет применять наиболее дешевые системы отопления.
В настоящее время, в связи с резким подорожанием природного газа, особый интерес представляет использование биогаза. Широкое его применение как энергоносителя распространено в странах Юго-Восточной Азии, передовых странах Европы и Северной Америки. Учитывая то, что содержание метана в биогазе достигает 70%, это позволяет использовать его энергетический потенциал в различных областях народного хозяйства.
Перевод на биогаз теплогенерирующего оборудования, использующего природный газ, не представляет особых технических трудностей и требует лишь незначительных изменений в горелочных и воздухоподводящих устройствах.
Применение когенерационного оборудования в составе современных биогазовых установок (БГУ) существенно расширяет диапазон их применения за счет использования и тепловой, и электрической энергии, повышая автономность обслуживаемых объектов, их производственные и экономические показатели.
В публикуемой статье рассматривается как традиционное тепловое оборудование, так и современные разработки биогазовых установок, в которых имеются инокулирующие и иммобилизационные устройства, значительно повышающие выход биогаза и улучшающие агрономические и экологические показатели полученных органических удобрений.
Биогазовые установки как локальные производители тепловой энергии и экологически чистых высокоэффективных органических удобрений с успехом могут использоваться при организации тепличного производства на сельскохозяйственных предприятиях, в объединениях фермеров, отдельных фермерских хозяйствах, где имеется соответствующее количество биосырья растительного и животного происхождения.
Современные отечественные и зарубежные БГУ могут быть использованы и как оборудование для производства только тепловой энергии, и как когенерационное оборудование, позволяющее при необходимости получать тепловую и электрическую энергию в соответствии с хозяйственными запросами.
Кооперация в вопросах поставки биомассы может быть очень выгодной для хозяйств, которые в ней участвуют, за счет возврата им полученных в результате переработки сырья в анаэробных условиях экологически чистых высокоэффективных органических удобрений, которые могут быть использованы для производства экологически чистых сертифицированных пищевых продуктов.
В расчетах необходимой мощности БГУ (Nк), которая обеспечивала бы необходимым суточным количеством энергии тепличное производство, следует учитывать сезонные энергетические потребности этого объекта и сырьевые возможности сельхозпредприятий, выступающих поставщиками биомассы для БГУ.
Исходя из проектных данных энергопотребления используемых теплиц определяется объем биогаза, который необходим для ведения технологических процессов в пиковые периоды и соответствует наружным низким температурным режимам (Vк); кроме того, определяется соответствующий объем биогаза, необходимого для обес-печения тепловых (Vт) и электромеханических процессов (Vэ), выполняющихся оборудованием биогазовой установки при полной энергетической автономности последней.
Общее количество энергии, необходимое для производственной деятельности тепличного комплекса (Nк) состоит из энергии для технологических потребностей БГУ (Nб) и энергии для потребностей теплиц (Nт) составляет:

Nк = Nб + Nт.
При разработке конструкторско-технологической схемы биогазовой установки важную роль играют выбор строительной площадки в составе хозяйственного комплекса предприятия, температурный режим ведения процесса метаногенерации, химический и физический анализы биосырья, климатический пояс, в котором должно эксплуатироваться соответствующее технологическое оборудование.
После определения количества биогаза, необходимого для обеспечения запланированных энергорасходов, определяется мощность технологического оборудования, необходимого для производства этого объема биогаза, для чего, например, за биосырье принимается куриный помет с влажностью 75% и содержанием минеральных компонентов в количестве 10%.
В соответствии с выбранной технологией, при которой влажность реагирующего субстрата в реакторе составляет 92%, а процесс идет в термофильном (55%) или мезафильном (40°С) температурных режимах с экспозицией биомассы в анаэробном процессе (Тэ), соответственно, 10 и 20 суток, количество органики в биомассе должно составлять 98–100 кг/м3.
На основе достигнутых показателей по производству биогаза БГУ, аналогами создаваемой установки, рассчитывается рабочий объем анаэробного биореактора (Vр):

Vр = Мсут ·Тэ  (м3),
где Мсут — суточная доза загрузки,
Тэ — экспозиция процесса метанообразования в анаэробном биореакторе в соответствии с принятым температурным режимом.
При больших объемах переработки биосырья применяют соответствующее количество модульных биореакторов с определенным расчетным объемом.
Проведенный анализ влияния операций оптимального технологического процесса, необходимых для переработки выбранного биосырья, формирует комплектность и относительную стоимость отдельного оборудования в составе всей БГУ, которая состоит в основном из следующего технологического оборудования (рис. 2):

  • системы очистки биосырья от нетехнологичных фракций и подготовки его к аэробному процессу (7–9%), (1; 2; 11);
  • теплообменного смешивающего оборудования аэроб­­­ного процесса (10–12%), (3; 12; 15);
  • инокуляционного и загрузочного оборудования (3–5%), (4);
  • модульных биогазовых реакторов (40–50%), (5; 6);
  • газоотборного и газоочистительного оборудования (5–7%), (8); оборудования для накопления газа (7; 10);
  • оборудования для удаления и переработки прореагировавшего субстрата (5–10%), (4; 13);
  • энергогенерирующего оборудования (12–15%), (9);
  • оборудования и сооружения инфраструктуры БГУ (3–5%), (13).

Для отдельных дворовых и малых фермерских хозяйств в ННЦ «ИМЭСХ» разработана конструкторская документация на нестандартизированное оборудование БГУ с возможностью масштабирования его размеров в зависимости от конкретных условий эксплуатации такой установки. Характерной ее особенностью является сочетание выполнения многих технологических операций в одном агрегате. Так, в приведенной на рис. 3 позиции 1, представляющей анаэробный биореактор, совмещаются подогреватель-выдерживатель исходной биомассы, инокулятор подготовленной массы метанообразующими микроорганизмами и теплогенерирующее устройство.
Газгольдер-редуктор (8) совмещает в себе накопитель и стабилизатор давления биогаза, а также тепло-обменник-рекуператор тепла сброженной биомассы. Такой подход к конструированию БГУ позволяет уменьшать размеры площадки, на которой размещается установка, что имеет большое значение в условиях дворового хозяйства. К тому же уменьшаются металлоемкость оборудования и теплопотери при проведении технологического процесса на всех его этапах.
В основу конструкторско-технологических разработок БГУ-0,3 (3,0) положена классическая теория метаболизма органических соединений в анаэробных условиях.
Техническая характеристика БГУ-0,3 (3,0):

  • Объем реактора — 0,3 м3; (3 м3)
  • Суточная загрузка биомассы — 30 кг (300 кг)
  • Влажность биомассы — 90–95%
  • Суточный выход биогаза — 0,9 м3 (9 м3)
  • Суточный выход органических удобрений —30 кг/сут (300 кг)
  • Количество загрузок за сутки — 3
  • Электромощность — 0,2 кВт
  • Масса установки — 210 кг (1000 кг)
  • Суточное потребление электроэнергии —    0,12 кВт/ сут (1,0 кВт)

Установка вышла на технологические показатели зарубежных аналогов и была рекомендована для внедрения.
ННЦ «ИМЭСХ» провел работу по систематизации типоразмеров биореакторов-модулей с их рабочим объемом (в м3), который соответствует суточным возможностям конкретных хозяйств по обеспечению сырьем при заданном температурном режиме технологического процесса метанового сбраживания:
1-й — 0,3;    2-й — 1;          3-й — 3;    4-й — 9;
5-й — 30;    6-й — 60;    7-й —125.
В данное время изготовление проектно-технической документации для семи типоразмеров биореакторов-модулей ограничено финансированием, поэтому ННЦ «ИМЭСХ» ведет разработку по конкретным данным отдельных заказчиков.
При оптимальном использовании тепличными хозяйствами продукции, вырабатываемой биогазовыми установками, оснащенными соответствующим научно обоснованным технологическим оборудованием, окупаемость используемого биогазового комплекса составляет 2–3 года, при высокой рентабельности ведения конкретного производства.
Основным компенсатором потерянного при выращивании тепличных растений гумуса является органика животного и растительного происхождения, которая в своем составе может иметь патогенную микрофлору, яйца гельминтов, семена сорняков. Удобрения, за счет присутствия в них паров сероводорода (Н2S), имеют неприятный запах.
Все эти негативные качества биосырья на 100% ликвидируются при их анаэробной переработке в биореакторах с термофильным температурным режимом (50…55°С) и экспозицией этого технологического процесса 8–10 суток.
Использование влияния всех положительных для деятельности тепличного производства качеств продукции БГУ, в том числе углекислого газа (СО2), который получается при химической очистке биогаза для повышения его калорийности и может быть использован в технологическом процессе выращивания растений в целях наращивания их биомассы и повышения урожайности выращиваемых культур, подтверждает высокую экономическую эффективность такого комплекса, который может быть рекомендован для широкого внедрения.
Технико-экономические расчеты ведутся исходя из конкретных условий хозяйств, которые планируют эксплуатировать БГУ, мощности установок, номенклатуры продукции и направлений ее реализации.
На договорных началах ННЦ «ИМЭСХ» может выполнить работы по определению экономической эффективности эксплуатации БГУ расчетного типоразмера с оборудованием, которое соответствует заданной номенклатуре продукции.
Существующие подходы к энергообеспечению тепличного хозяйства, использующего традиционные технические решения, приведены ниже — в примерах, которые подтверждают достаточно эффективное их применение.
В настоящее время распространен опыт по применению в теплицах трех видов индивидуальных источников тепла на газообразном топливе:

  • установки непосредственного обогрева продуктами сгорания газа;
  • установки косвенного обогрева с удалением продуктов сгорания в атмосферу;
  • установки, сочетающей в различной степени непосредственный и косвенный обогрев.

К установкам с непосредственным обогревом продуктами сгорания относятся теплогенераторы, микрофакельные горелки, горелки инфракрасного излучения, газовые светильники. Они характеризуются КПД около 100% при малой инерционности, простотой регулирования температуры, меньшей стоимостью и металлоемкостью, возможностью одновременной с обогревом подкормки растений углекислым газом. К основному недостатку этих установок относится возможность выделения в помещении при неправильной эксплуатации продуктов неполного сгорания газа (окислов азота, окиси углерода и др.).
Установки косвенного обогрева обеспечивают нагрев воздуха в поверхностных теплообменниках (калориферах) с последующим удалением продуктов сгорания в атмосферу (такие установки не загрязняют воздушную среду теплиц, однако по сравнению с установками непосредственного обогрева их КПД ниже (80–85%), металлоемкость выше, они сложнее в эксплуатации).
На рис. 4 изображен воздушный газовый калорифер мощностью 35 кВт. Отопительно-вентиляционный агрегат ОВА-150 относится к установкам, сочетающим в различной степени непосредственный и косвенный обогревы, обеспечивающие одновременный нагрев воздуха в теплице и воды, используемой для подогрева грунта, полива и других технологических целей, а также подкормку растений углекислотой.
Для отопительных целей и горячего водоснабжения выпускают автоматические газовые водонагреватели трех модификаций: АГВ-50М, АГВ-80М (рис. 5) и АГВ-120.
На рис. 6 изображен газовый отопительный прибор «Огонек», который предназначен для использования в жилых, служебных и подсобных помещениях площадью до 20 м2. В этом приборе газовый тракт и топка изолированы от воздушной среды отапливаемого помещения. Продукты сгорания удаляются в атмосферу через верхние каналы короба 8; прибор снабжен автоматическим устройством для регулирования подачи газа в горелку 4, в зависимости от температуры воздуха в помещении. При срыве пламени горелки 4 поступление газа прекращается при помощи электромагнитного клапана.
Газоотопительный прибор «Огонек» имеет тепловую мощность 1860 Вт, КПД 80%, температуру нагретого воздуха на выходе 70°С.
Газовые горелки инфракрасного излучения (ГИИ) представляют собой отопительные приборы для беспламенного сжигания газа (рис.7).
Газовоздушная смесь перемещается в инжекционном смесителе 1, поступает в распределительную камеру 2 и далее проходит через блок керамических плиток 3. Эти плитки выполнены в виде объемной сетки, имеющей до 2000 каналов диаметром от 0,8 до 1,6 мм.
Проходя по каналам блока керамических плиток 3, газовоздушная смесь нагревается до температуры воспламенения и сгорает на поверхности блока, образуя ровное короткофакельное пламя. Температура наружной поверхности блока достигает при этом 800…900°С.
В газовых горелках инфракрасного излучения происходит полное сгорание газа, в продуктах сгорания практически отсутствуют продукты неполного сгорания — СО2, С (сажа), смолы и др.
В заключение можно сделать вывод, что современный подход к энергетическим, агрономическим и экологическим аспектам эксплуатации тепличных хозяйств как высокорентабельных производителей продуктов питания в условиях повышенных санитарных требований, связанных со вступлением Украины в ВТО, требует соответствующих мер по модернизации этих производств, что возможно при использовании оговоренных технических решений.

И. Савченко, к. т. н., зав. лабораторией научно-технических проблем производства овощей,
Б. Рубан, ст. н. с., ННЦ «ИМЭСХ»

Визначник хвороб та шкідників карто...
Wednesday, 11 July 2018
Довідник кишенькоговго формату містить матеріали про найпоширеніші в Україні хвороби і шкідників картоплі.
ВИЙШОВ З ДРУКУ ЖУРНАЛ "ОВОЧІВНИЦТВО...
Friday, 14 December 2018
Грудневий номежурналу "Овочівництво" №12(163) 2018 вийшов з друку і чекає на читачів. За питаннями купівлі журналу телефонуйте у ВІДДІЛ ПЕРЕДПЛАТИтел.: +38 (044) 499-97-69 (68), +3...
Tuesday, 06 November 2012
Впервые заболевание на картофеле выявлено в Великобритании в 1948 году. В России оно было выявлено в 1986-м в Ленинградской области, на клубнях, выращенных на приусадебных участках. В настоящее время резиновая гниль Подробнее...
Tuesday, 07 April 2015
Развитие лекарственного растениеводства
Текущий номер
Поиск
Авторизация
Логин
Пароль
Реклама

© Copyright 2009 - Ovoschevodstvo.com All Rights Reserved     |     Дизайн — Свердличенко Алексей     |     Програмирование — Хагшенас Хажир