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 доступен в полной версии работы
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: