Выход биогаза при неполном сбраживании

.

Для брожения влажность доводим до 92%. Чтобы увеличить влажность биомассы на 1%, на одну тонну навоза надо добавить 100 литров воды. При доведении влажности ежесуточного общего выхода навоза с 80% до 92% вес массы навоза составит:

Объём метантенка при полной загрузке:

.

где, сс принимаем 1 т/м3.

где Кз=0,9.

Тепловой расчет реактора.

Потеря теплоты в метантенке определяется по формуле:

Qт.р.=Qп+Qо.с.+Qмех.

где Qп — потери теплоты на подогрев биомассы при температуре брожения;

Qо.с. — потери теплоты в окружающую среду;

Qмех — расход энергии на перемешивание биомассы в процессе брожения.

Количество теплоты, которая расходуется на подогрев биомассы загруженной на протяжении суток до температуры брожения, МДж/сутки, равно:

mсут — суточная загрузка биомассы доведенной до влажности 90−92%;

Сс — теплоемкость субстрата (принимается равной теплоемкости воды — 4,18*10−3 МДж/(кг*К));

tз.м=18 ?С.

Теплопотери от метантенка в окружающую среду, Вт, определяется по формуле:

где k — коэффициент теплопередачи от биомассы находящейся в реакторе к окружающей среде, Вт/(м2*К).

F — площадь наружной поверхности реактора, м2.

tо.с — температура окружающей среды, °С (tо.с=7,1°С).

tб — температура биомассы, °С.(tб=18°С) Для цилиндрических реакторов, принимая отношение высоты к диаметру H/D=0,9…1,3, по значению Vp находим F:

F=(рD2/4)· 2+ рDH.

Принимая H=1,2D, находим:

D==4,7 м.

H=1,2*4,7=5,64 м.

F= (3,14*4,72/4)*2+3,14*4,7*5,64=117,9 м².

Коэффициент теплоотдачи от биомассы в реакторе к окружающей среде, Вт/(м2*К).

;

б1 и б2 коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхностях метантенка, Вт/(м2*К). Учитывая, что скорость движения биомассы в процессе её механического перемешивания незначительна (0,5…1 м/мин) можно считать, что процесс теплообмена на внутренней поверхности метантенка происходит при условиях свободной конвекции. С небольшой погрешность то же самое можно принять для теплоотдачи от наружной поверхности теплоизоляции к окружающей среде (в землю, воздух в закрытом помещении, теплоизоляционный слой и т. д.).

В общем случае критерий Нуссельта (или) при свободной конвекции является функцией критериев Прандтля и Грасгофа и слабо зависит от формы тела.

Определяем коэффициент теплоотдачи со стороны биомассы (или воды в водяной рубашке) по упрощенной формуле Нуссельта:

.

где В' рассчитывается по приближенной формуле:

В'=5700+56tб-0,09tб2.

tб — температура биомассы в реакторе (или воды в системе обогрева).

Зная, что температура внутренней поверхности наружной обечайки реактора и биомассы (воды в системе обогрева) могут отличаться очень незначительно, температуру внутренней поверхности наружной обечайки tст1 принимаем tст1=35,5 °С,.

Дt=tб — tст1=36−35,5=0,5 °С.

h — высота реактора рассчитанная выше (h=5,64 м).

Тогда:

В'=5700+56*36−0,09*362=7600.

Вт/(м2*К).

После расчета В' и б1 находим ориентировочную температуру стенки с наружной стороны (со стороны изоляции или земли).

Здесь — дст — толщина стенки реактора. Для бетонных реакторов принимаем дст=150мм,.

лст — коэффициент теплопроводности материала, для бетона лст=1 Вт/м2*ч*град.

(д/л)загр.- коэффициент загрязненности поверхности. Для бетонной поверхности покрытой битумом (д/л)загр.=1/1500.

q — тепловое напряжение или тепловой поток, q=б1* Дt.

Зная величины tст1, дст, лст, (д/л)загр и q находим tст2.

q = б1 х Дt=6775,2×0,5=3387,2 Вт/м2*ч.

°С.

Для расчета коэффициента теплоотдачи от поверхности изоляции к наружному воздуху или земле б2 необходимо знать температуру tст3. т. е. температуру наружной поверхности изоляции, что рассчитывается по формуле:

.

Дtизол. — перепад температуры или тепловое сопротивление изоляции, который примерно составляет Дtизол.=(0,9…0,95) х (tст2-tос). При Дtизол.=0,9tст2=0,9*(31,5−7,1)=28,26 °С.

= 31,5- 28,26=3,24 °С.

Для определения б2 пользуемся тем же упрощенным методом, т. е. сначала определяем B', затем, зная Дtизол и h, б2:

B'=5700+56*3,24−0,09*3,242=5880.

При толщине бетонной стенки д1= 150 мм, толщине изоляции д2= 100 мм, лбетона= 1 Вт/(м2*ч*град); лминераловата= 0,034 Вт/(м2*ч*град), величина к равна:

Вт/(м2*ч*град) Тепловые потери от метантанка в окружающую среду определяют.

Расход энергии на перемешивание субстрата в метантенке определяют по формуле:

Qмех=gнорм*Vп.з*tz.

где gнорм — удельная нагрузка на механическую мешалку. В зависимости от размеров и угла наклона лопастей gнорм=(50…80) Вт/м3*час.

Vп.з — объём реактора заполненный субстратом, м3. Vп. з=70 м3;

tz — продолжительность работы мешалки.

За сутки.

tz=tz'*n',.

где tz' - продолжительность перемешивания за один раз, tz'=3−5 минут; n' - число перемешиваний, n'=6−12 раз.

Принимаем tz'=5 мин, n'=12 получим tz=5*12 = 60 минут =1 час/сутки.

Qмех=50*70*1=3500 Вт =12,6 МДж/сут Тепловая энергия, получаемая из биогаза, выделившегося за сутки:

При неполном брожении:

Qб.г=Vпол.б*Нuб.г где Vпол. б=70 м3/сутки; Нuб. гнизшая теплота сгорания биогаза Нuб. г=29,33 МДж/м3.

Qб.г=70•29,33=2053 МДж/сут.

Общая суточная выработка энергии БГУ, МДж.

EБ.Г.У=Qб.г — Qт. м =Qб.г — (Qп + Qо. с + Qмех).

EБ.Г.У = 2053 — (420+36+12) = 1354 МДж КПД биогазовой установки, %.

Считая, что в год БГУ останавливают на техническое обслуживание и текущий ремонт на 15−20 дней, экономию условного топлива, за счет полученного в течение года биогаза, можно рассчитать по формуле:

.

где Др.г.-дни работы БГУ в году, приближенно 345−350 дней.