Проект биогазовой установки комплексной утилизации органических отходов

0

 

Электроэнергетический факультет

Кафедра теплоэнергетики

 

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

 

Проект биогазовой установки комплексной утилизации органических отходов

Пояснительная записка

 


Аннотация

 

 

Пояснительная записка содержит 100 листов, включая 12 рисунков, 9 таблиц, 1 приложений, 24 источника информации. Графическая часть выполнена на 8 листах формата А1.

В данной выпускной квалификационной работе изложены основные положения и произведен конструктивный и тепловой расчет биогазовой установки на базе СПК колхоз «Красногор». Предложена компоновка, выбрано основное и вспомогательное оборудование.

Проектом предусмотрено двухстадийное сбраживание органических отходов – это позволит сократить время сбраживания и повысить производительность биогазовой установки.

В экономической части рассчитаны основные технико-экономические показатели, определен срок окупаемости биогазовой установки.

В разделе безопасность труда произведен анализ безопасных условий труда, рассмотрены вопросы молниезащиты и заземления электрооборудования.

 

 

 

Содержание

             

 

 

Введение…………………………………………………………………

8

1

Краткая характеристика объекта……...……………………………….

11

2

Получение биогаза……………………………………………………...

12

2.1

Особенности биогазового топлива………………………………...…..

13

2.2

Производство биогаза…………………………………………………..

14

2.3

Развитие биогазовых технологий в России…………………………...

15

3

Процесс образования биогаза………………………………………….

21

3.1

Возникновение биогаза……....................................................................

21

3.1.1

Этапы процесса…………………………………………………………

21

3.1.2

Одно и многоступенчатый процесс……………………………………

25

3.2

Благоприятная среда................................................................................

26

3.2.1

Влажная среда…………………………………………………………..

26

3.2.2

Исключение проникновения воздуха.....................................................

26

3.2.3

Исключение проникновения света…………………………………….

27

3.2.4

Равномерная температура………………………………………………

27

3.2.5

Уровень  рН ……………………………………………………………..

30

3.2.6

Подача питательных веществ …………………………………………

30

3.2.7

Большая площадь поверхности сырья  …...…………………………..

31

3.2.8

Равномерная подача субстрата ………………………………………..

31

3.2.9

Замедляющие вещества ………………………………………………..

32

4

Элементы биогазовой установки………………………………………

35

4.1

Типы строения ферментаторов (метантенков ………………………..

35

4.1.1

Горизонтальная конструкция ………………………………………….

35

4.1.2

Вертикальная  конструкция ……………………………………………

35

4.1.3

Наземное или подземное размещение…………………………………

36

4.1.4

Патентный анализ ……………………………………………………….

36

4.2

Строительные материалы и строительная техника для ферментаторов………………………………………………………………………..

40

4.2.1

Корпус резервуара ……………………………………………………...

41

4.2.2

Теплоизоляция реакторов сбраживания………………………………

42

4.2.3

Насосы …………………………………………………………………..

44

4.2.4

Запорно-регулирующая арматура……………………………………...

45

4.2.5

Смесительная техника …………………………………………………

46

5

Конструктивный расчет биогазовой установки………………………

48

5.1

Расчет приемного резервуара………………………………………….

48

5.2

Расчет камеры гомогенизации…………………………………………

50

5.3

Расчет реактора кислотогенеза ………………………………………..

51

5.4

Расчет реактора метаногенеза …………………………………………

53

6

Тепловой расчет биогазовой установки……………………………….

55

6.1

Тепловой баланс ………………………………………………………..

55

6.2

Расчет теплообменного аппарат……………………………………….

59

6.2.1

Расчет теплообменного аппарата в реакторе кислотогенеза ………..

59

6.2.2

Расчет теплообменного аппарата в реакторе метаногенеза…….…..

61

6.3

Гидравлический расчет ………………………………………………..

63

7

Расчет газовой системы ………………………………………………..

67

7.1

Расчет выхода газа……………………………………………………

67

7.2

Расчет газопровода …………………………………………………….

68

7.3

Выбор газгольдера ……………………………………………………..

69

8

Выбор элементов биогазовой установки……………………………...

70

9

Выбор элементов биогазовой установки ……………………………..

72

9.1

Определение капитальных вложений в строительство биогазовой установки………………………………………………………………..

72

9.2

Определение ежегодных эксплуатационных расходов………………

73

9.2.1

Годовые затраты на амортизацию……………………………………..

73

9.2.2

Годовые затраты на текущий ремонт оборудования ………………..

74

9.2.3

Годовые затраты на капитальный ремонт оборудования……………

74

9.2.4

Годовой фонд оплаты труда обслуживающего персонала…………

75

9.2.5

Отчисления на социальные нужды …………………………………..

76

9.2.6

Отчисления на обязательное страхование персонала от несчастных случаев на производстве и профзаболеваний ………………………..

76

9.2.7

Прочие расходы ……………………………………………………….

76

9.3

Определение срока окупаемости ……………………………………..

77

10

Запуск и эксплуатация биогазовой установки ……………………….

79

10.1

Подготовка биогазовой установки к запуску…………………………

79

10.2

Запуск биогазовой установки ………………………………………….

79

10.3

Особенности эксплуатации биогазовых установок ………………….

80

10.4

Обслуживание биогазовой установки ………………………………...

81

10.5

Правила безопасной эксплуатации БГУ ……………………………...

82

10.6

Требования санитарной безопасности ………………………………..

82

11

Безопасность труда……………………………………………………..

84

11.1

Анализ и обеспечение безопасных условий труда …………………..

84

11.2

Расчет заземляющих устройств ……………………………………….

88

11.3

Возможные чрезвычайные ситуации …………………………………

91

 

Заключение ……………………………………………………………..

94

 

Список литературы …………………………………………………….

95

 

Приложение А………………………………………………………...

96

 

 

 

 

Введение

 

Биогазовые установки обеспечивают переработку органических отходов (стоков животноводческих производств и растениеводства) и осадков сточных вод в биогаз (горючий газ). Наряду с биогазом биогазовые установки производят высокоэффективное дорогостоящее жидкое органическое удобрение.

В настоящее время многие российские предприятия активно разрабатывают и осваивают производство биогазовых установок различной мощности и назначения. В большинстве стран мира биогазовые технологии стали стандартом очистки и утилизации муниципальных и индустриальных сточных вод и переработки сельскохозяйственных и твердых бытовых отходов с целью получения биогаза для производства тепловой и электрической энергии и высокоэффективного органического удобрения.

Увеличение выбросов парниковых газов, рост потребления воды и ее загрязнение, снижение плодородия земель, неэффективная утилизация отходов и растущие проблемы с загрязнением окружающей среды, обезлесивание являются следствием нерационального использования природных ресурсов по всему миру. В 2010 г. страны ЕС увеличили вклад биомассы в общее потребление энергии в мире до 12 %, а прогноз роста биомассы как источника возобновляемой энергии в мире предполагает достижение 23,8 % к 2040 г. Биогазовые технологии являются одним из важных компонентов в цепи мер по борьбе с указанными проблемами и обеспечению прогнозов развития биоэнергетики.

Анализ внедрения биогазовых технологий на уровне государственных программ и индивидуальных хозяйств показывает, что это внедрение имеет следующие цели:

- дешевое производство энергии (индивидуальный и государственный уровень);

- увеличение урожайности сельскохозяйственных культур с помощью применения биоудобрений (индивидуальный и государственный уровень);

- улучшение качества сельскохозяйственной продукции - производство экологически чистых продуктов;

- улучшение социальных условий жизни сельского населения (индивидуальный и государственный уровень);

- сохранение лесопосадок, снижение эрозии почв (в основном государственный уровень);

- повышение уровня жизни сельского населения (в основном государственный уровень);

- снижение безработицы в сельских районах (государственный уровень);

- снижение миграции из сельской местности (государственный уровень).

Индивидуальные  хозяйства могут получить выгоду и от внедрения биогазовой установки, и от использования продуктов переработки отходов в этой установке. Расчеты показывают, что срок окупаемости биогазовой установки составляет в среднем три года, хотя для многих установок возможен срок менее одного года, поэтому для сельских жителей большой проблемой является именно первоначальная стоимость установки.

Эффект внедрения биогазовых технологий в государственную экономику заключается в следующем:

- переработка отходов на биогазовых установках улучшает санитарные и гигиенические условия жизни населения и уменьшает расходы на здравоохранение;

- рассматривая эффект биогазовых технологий в энергетическом секторе, нужно учитывать, что производство биогаза создает экономию ископаемых источников энергии страны;

- использование биоудобрений увеличивает продуктивность сельскохозяйственных земель;

- использование биогаза снижает стоимость производства сельскохозяйственной продукции;

- использование биогаза вместо таких традиционных источников энергии, как керосин и дрова, сохраняет экологический баланс и увеличивает собственную выгоду на величину стоимости сохраненных лесов;

- цены на энергию, производимую из биогаза, соперничают с ценами на энергию и топливо на рынке и являются стабильными, децентрализованными и независимыми от цен, существующих на рынке;

- децентрализованное производство энергии обеспечивает безопасность энергетической системы, уменьшает потери в энергетической системе и затраты на сооружение энергопроводящих путей и коммуникаций;

- децентрализованные биогазовые системы в сельской местности увеличивают занятость населения и снижают разницу между доходами разных слоев населения в разных областях страны.

На макроэкономическом уровне эти эффекты достаточно значительны и проявляют себя при широком распространении биогазовых технологий.

Таким  образом, внедрение биогазовых технологий положительно влияет на энергетику, сельское хозяйство, окружающую среду, здравоохранение и занятость населения страны.

Россия  обладает огромными запасами биоресурсов, включая сельскохозяйственные и лесные отходы. Количество органических отходов разных отраслей народного хозяйства России составляет более 390 млн т, а в то же время 70 % территории России не имеет надежного централизованного энергоснабжения. Внедрение биогазовых технологий может обеспечить бытовые энергетические нужды населения, проживающего вдали от систем централизованного обеспечения энергией.

К настоящему времени разработано и применяется множество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариаций температурного режима, влажности, концентрации бактериальной массы, длительности протекания биореакции. Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60 разновидностей биогазовых технологий. Не останавливаясь детально на всех фирмах-производителях биогазовых установок, назовем лишь некоторые из них: группа фирм ЕРС, «Biogaz PlanET», Darmstadt, «Regio Energiesysteme», «Bio Energy Biogas GmbH», «Vogelsang», «Mayer Maschinenbauge-sellschaft GmbH», «Awila», «PlanET Biogastechnik GmbH», «Strautmann», «Innex Warmetauscher GmbH», «Schmack Biogas AG» и др.

В России построено всего около 300 биогазовых установок – это очень мало, так например в Германии их насчитывается более 3000. В е в п. Самородово (ОOО «Комплексные Системы Утилизации») эксплуатируется первая в области биогазовая установка. Основной получаемый продукт – биоудобрения. При объёме реактора 25 м3, производительность по биогазу составляет до 65 м3/сутки.

В качестве объекта для дипломного проекта был взят СПК Красногор. Для него будет рассчитано и спроектировано основное и вспомогательное оборудование биогазовой установки для переработки навоза КРС с учетом особенностей технологии. В связи с постоянным ростом удельных затрат на производство актуальность внедрения биогазовых технологий возрастает. Результатом брожения навоза является биогаз, который будет использоваться в качестве топлива для котлов и воздухоподогревателей, а также органические биоудобрения.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Краткая характеристика объекта

 

 

Предприятие – СПК колхоз «Красногор», область,

Основной вид продукции – молоко, мясо, зерно.

Количество голов крупнорогатого скота – 1212.

Количество голов свиней – 2560.

Продолжительность отопительного периода, сут – 204.

Температура наружного воздуха для отопления tн.о, ˚С – -32.

Количество навоза крупнорогатого скота в сутки – 15 тонн.

Количество навоза свиней в сутки – 5 тонн.

Способ удаления навоза – скребковый транспортер.

Влажность удаляемого навоза, % – 75.

Температура удаляемого навоза, ˚С – 18 ÷ 24.

Помещение для размещения биогазовой установки – бывшее здание мельницы.

Потребность в электрической энергии:

зимой – 299800 кВт;

летом – 189880 кВт.

 

 

 

1 – помещение для размещения биогазовой установки (бывшее здание мельницы); 2 – свиноферма; 3 – коровники.

 

Рисунок 1.1 – Схема размещения помещения для биогазовой установки

 

2 Получение биогаза

 

2.1 Особенности биогазового топлива

 

 

Процессы разложения органических отходов с получением горючего газа и его использованием в быту известны давно: в Китае их история насчитывает 5 тыс. лет, в Индии - 2 тыс. лет. Природа биологического процесса разложения органических веществ с образованием метана за прошедшие тысячелетия не изменилась. Но современные наука и техника создали оборудование и системы, позволяющие сделать эти «древние» технологии рентабельными и применяемыми не только в странах с теплым климатом, но и в странах с суровым континентальным климатом, например в России.

Биогаз плохо растворим в воде, состоит из метана (55 ÷ 85 %) и углекислого газа (15 ÷ 45 %), могут быть следы сероводорода. Его теплота сгорания составляет от 21 до 27,2 МДж/м3. При переработке 1 т свежих отходов крупного рогатого скота и свиней (при влажности 85 %) можно получить от 45 до 60 м3 биогаза, 1 т куриного помета (при влажности 75 %) - до 100 м3 биогаза. По теплоте сгорания 1 м3 биогаза эквивалентен: 0,8 м3 природного газа, 0,7 кг мазута, 0,6 кг бензина, 1,5 кг дров (в абсолютно сухом состоянии), 3 кг навозных брикетов. Биогаз, как и природный газ, относится к наиболее чистым видам топлива.

Получение биогаза из органических отходов имеет следующие особенности:

- осуществляется санитарная обработка сточных вод (особенно животноводческих и коммунально-бытовых), содержание органических веществ снижается до 10 раз;

- анаэробная переработка отходов животноводства, растениеводства и активного ила приводит к минерализации основных компонентов удобрений (азота и фосфора) и их сохранению (в отличие от традиционных способов приготовления органических удобрений методами компостирования, при которых теряется до 30 ÷ 40 % азота);

- при метановом брожении высокий (80 ÷ 90 %) КПД превращения энергии органических веществ в биогаз;

- биогаз с высокой эффективностью может быть использован для получения тепловой и электрической энергии, а также в двигателях внутреннего сгорания;

- биогазовые установки могут быть размещены в любом регионе страны и не требуют строительства дорогостоящих газопроводов.

Биогазовые технологии позволяют наиболее рационально и эффективно конвертировать энергию химических связей органических отходов в энергию газообразного топлива и высокоэффективных органических удобрений, применение которых, в свою очередь, позволит существенно снизить производство минеральных удобрений, на получение которых расходуется до 30 % электроэнергии, потребляемой сельским хозяйством.

 

 

2.2 Производство биогаза

 

 

Интенсивное внедрение биогазовых технологий в развитых и развивающихся странах, повышение их эффективности и рентабельности внесли значительные изменения в переориентировку этих технологий от только энергетических к экологическим и агрохимическим (производство удобрений), особенно при переработке разнообразных органических отходов. Очевидно, это является решающей альтернативой для получения биогаза.

 

************************ЧАСТЬ РАБОТЫ ДЛЯ ОЗНАКОМЛЕНИЯ****************************


Список использованной литературы

 

 

1 Бойлс Д . Биоэнергия: технология,  термодинамиика,  издержки  М.: Агропромиздат, 1987. – 152 с.

2 С. Соуфер, О. Заборски Биомасса как источник энергии. - М.: Мир, 1985. – 368 с.

3 Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие. Издано в 1996 г. Перевод с немецкого выпонен компанией Zorg Biogas в 2008 г.  http://www.zorg-biogas.com

4 Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети; изд. 7-е, перераб. М.: Издательство МЭИ, 2001

5 ГОСТ Р 53790-2010 Общие технические требования к биогазовым установкам.

6 Баадер В. Биогаз теория и практика (Пер. с нем. и предисловие М.И. Серебряного.) .:М – Колос, 1982 – 148 с.

7 Зингер Н.М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем. М.: Энергоатомиздат, 1986.

8 Михеев М. А. Основы теплопередачи. М.: Энергия 1977 г.

9 Богословский В. Н. Отопление: Учеб. для вузов.- М.: Стройиздат 1991 г.

10 Николаев А. А. Справочник проектировщика М.: Стройиздат 1965 г.

11 Веревкин С.И., Корчагин В.А. Газгольдеры, М.: Издательство литературы по строительству, 1966

12 Методические указания для выполнения курсовых работ и экономической части дипломных проектов по курсу “Экономика и маркетинг электроснабжения” Кравченко Н.Ф. -  ОГУ, 2000.-97с.

13 Электронная библиотека ''Энергетика'' выпуск 2 (2003 г.).

14 Горемыкин В.А. Бизнес – план: - М.: «Ось - 89», 2005.

15 ГОСТ 12.1.004-91 Пожарная безопасность. Общие требования.

16 СП 42 -102-98. Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов.

17 СНиП 2.01.07 -85. Нагрузки и воздействия.

18 СНиП 2.04.02 -84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.

19 СНиП 23-01-99 (2003) Строительная климатология.

20 Кронгауз С.Д. Система теплоснабжения промышленных предприятий от центральных котельных. М.:Госстройиздат, 1951.

21 Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. РД 34.21.122-87.

22 СанПиН 2.2.1./ 2.1.1.567-96

23 НТП 17-99 Нормы технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета.

24 Правила устройства электроустановок

 

Заключение

 

В результате выполненного проекта разработана биогазовая установка для СПК «колхоз «Красногор», предложена компоновка установки, произведены конструктивный, тепловой и гидравлический расчеты, расчет выхода газа. В технико-экономическом разделе определены капитальные, эксплуатационные затраты и срок окупаемости.  В разделе безопасность рассмотрена охрана труда.

Предложенный проект биогазовой установки является экономически выгодным. Выполнена одна из целей дипломного проекта – повышение скорости метанообразования

 


ПРИЛОЖЕНИЕ А

(справочное)

Фотографии помещения для биогазовой установки

 

 

Здравствуйте уважаемые Председатель и члены Государственной Аттестационной Комиссии, предлагаем Вашему вниманию выпускную квалификационную работу на тему «Проект установки комплексной утилизации органических отходов»

Биогазовые установки обеспечивают переработку органических отходов в биогаз и высокоэффективное дорогостоящее жидкое органическое удобрение.

Биогаз состоит из метана (55 ÷ 85 %) и углекислого газа (15 ÷ 45 %), могут быть следы сероводорода. Его теплота сгорания составляет от 21 до 27,2 МДж/м3. При переработке 1 т свежих отходов можно получить от 45 до 60 м3 биогаза. Биогаз, как и природный газ, относится к наиболее чистым видам топлива.

В России построено всего около 300 биогазовых установок – это очень мало, так например в Германии их насчитывается более 3000.

В общем случае биогазовая установка включает в себя герметичный резервуар с хорошей теплоизоляцией, систему подогрева, перемешивания, приемную емкость, систему загрузки и выгрузки сырья, газгольдер. для выработки электрической и тепловой энергии может быть применена когенерационна установка.

Процесс разложения можно разделить на 4 этапа (слайд 3) в каждом из которых участие принимают много разных групп бактерий:

В большинстве биогазовых установок процессы расщепления протекают параллельно, т.е. они не разделены ни территориально, не во времени. Такие технологии называют одноступенчатыми (рисунок 3.4).

 

В качестве объекта для дипломного проекта был взят СПК «колхоз «Красногорский». Для него будет рассчитано и спроектировано основное и вспомогательное оборудование биогазовой установки для переработки навоза В связи с постоянным ростом удельных затрат на производство актуальность внедрения биогазовых технологий возрастает.

 

 Четреж Метантек

 

 

 Чертеж Компановка биогазовой установки

 

 

 Чертеж Разрез А-А

 

 

 Чертеж Разрез Б-Б

 

 

Четреж Реактор кислотогенеза

 

 

 Чертеж Реактор метаногенеза

 

 

 Чертеж Температурные графики

 

 

 Чертеж Технико-Экономические показатели биогазовой установки

     

  Скачать: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ                                               

Категория: Дипломные работы / Энергетика дипломные

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.