Федеральное государственное бюджетное образовательное
Учреждение высшего образования
«Астраханский государственный технический университет»
Система менеджмента качества в области образования, воспитания, науки и инноваций сертифицирована DQS
по международному стандарту ISO 9001:2015
Институт Морских технологий, энергетики и транспорта
Направление 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника
Профиль «Энергообеспечение предприятий»
Кафедра «Теплоэнергетика и холодильные машины»
Лабораторная работа
По дисциплине: «Автономные системы и источники энергоснабжения»
По теме: «Изучение конструкций, принципа действия, основных характеристик и методов расчёта биогазовых установок»
Выполнил: магистрант группы ДТЕТМ-21
Милосердов Н. Д.
Проверил: доцент
Атдаев Д. И.
Астрахань 2021 г.
Содержание
| Цель работы | |
| 1 Использование биогаза и твёрдых бытовых отходов в теплоэнергетике | |
| 2 Устройство, принцип действия и характеристики БГУ | |
| 3 Конструкции метантенков биогазовой установки | |
| 4 Вспомогательные устройства биогазовой установки | |
| 5 Методики расчёта основных параметров БГУ | |
| 5.1 Методика расчёта конструктивных размеров и эксплуатационных параметров БГУ | |
| 5.2 Расчёт основных параметров БГУ | |
| 5.3 Определение геометрических параметров БГУ | |
| Список литературы |
Цель работы заключаетсяв освоении материала практических занятий по изучению конструкций, принципа действия, основных характеристик и методов расчёта биогазовых установок.
Использование биогаза и твёрдых бытовых отходов в теплоэнергетике
Твёрдые бытовые отходы (ТБО) – это энергетическое сырье. Получение энергии из ТБО имеет большое значение, поскольку при этом уменьшаются объёмы мусора, подлежащие вывозу на свалку. Расчётное количество бытовых отходов по СНиП II-60-75 принимается на 1 человека в год:
‒ твёрдых, для жилых зданий, оборудованных водопроводом, канализацией, центральным отоплением и газом – 190 кг;
‒ твёрдых, для прочих жилых зданий – до 300 кг (с учётом общественных зданий). Расчётное количество при децентрализованном (местном) отоплении увеличивается на 10 %, при сжигании бурых углей – на 50 %.
Общее количество жидких отходов на 1 человека в год составляет при наличии канализации до 1400 литров, а из выгребных устройств – 2000 литров.
Ежегодное количество органических отходов в России составляет более 390 млн. тонн. Сельскохозяйственное производство даёт 250 млн. тонн, из них 150 млн. тонн приходится на животноводство и птицеводство, 100 млн. тонн – на растениеводство. Лесо-и деревопереработка дают 70 млн. тонн, твёрдые бытовые отходы городов – 60 млн. тонн, осадки коммунальных стоков – 10 млн. тонн (все приведённые значения даются на абсолютно сухое вещество).
На каждого россиянина приходится в среднем по 280-300 кг. ТБО в год без учёта промышленных отходов. Средний фракционный состав ТБО крупных промышленных центров проведён в табл. 1.1. Плотность ТБО составляет от 200 до 300 кг/м3.
Таблица 1.1 – Средний фракционный состав ТБО крупных промышленных центров
| Наименование твёрдых бытовых отходов | Значение, % |
| Бумага | |
| Древесина | |
| Кожа и резина | 1.8 |
| Кости | 0.5 |
| Металл | 4.5 |
| Пищевые отходы | |
| Текстиль | |
| Стекло | |
| Камни | 1.9 |
| Пластмасса | |
| Отсев размером менее 15 мм | 4.5 |
| Прочее | 0.4 |
ТБО состоит примерно на треть из органических материалов пригодных для сжигания, как с точки зрения энергетики, так и с точки зрения экологии.
Приблизительно половину ТБО можно сортировать для повторного использования или для других видов обработки. Это макулатура, стекло, упаковки из различных материалов, электроприборы, электроника, экологически вредные отходы. Введение первичной сортировки ТБО позволит повысить его теплоту сгорания. Оставшуюся часть мусора следует вывозить на свалки.
Существует четыре метода получения энергии из твёрдых бытовых отходов:
‒ сжигание;
‒ получение газа на свалках (депонигаз);
‒ получение газа при гниении (биогаз);
‒ термическая газификация.
Сжигание ТБО представляет собой сложную технологию. Топливо негомогенно как по содержанию, так и по размеру. Оно предъявляет особые требования к оборудованию для его сжигания. При сжигании образуется в большей или меньшей степени нежелательные выбросы, что требуют оборудования для очистки дымовых газов и, соответственно, больших инвестиций. Сжигание ТБО по существующему опыту российских и зарубежных городов становится рентабельным когда оно осуществляется в больших масштабах. Для выработки 1 Гкал тепловой энергии в зарубежных и отечественных установках требуется в среднем 550 кг ТБО.
Элементарный состав ТБО крупных российских городов проведён в табл. 1.2.
Из табл. 1.2, теплота сгорания ТБО для различных городов страны не превышает 1800 ккал/кг, при этом влажность ТБО составляет более трети состава. За рубежом за счёт принятия специальных положений, связанных с сортировкой мусора, его теплота сгорания составляет 2900 ккал/кг, т.е. в 1,6 раза выше, чем в Москве и более чем в 2 раза выше, чем во Владивостоке.
Таблица 1.2 – Элементарный состав ТБО крупных российских городов
| Рабочая масса, % | Москва | С. Петербург | Н. Новгород | Екатеринбург | Владивосток |
| W | 39,65 | 34,1 | 39,91 | 34,76 | 43,14 |
| A | 17,93 | 31,15 | 20,5 | 31,09 | 24,35 |
| S | 0,13 | 0,09 | 0,11 | 0,11 | 0,13 |
| C | 21,36 | 17,52 | 19,62 | 17,4 | 16,34 |
| H | 2,8 | 2,3 | 2,62 | 2,24 | 2,18 |
| N | 0,13 | 0,47 | 0,56 | 0,55 | 0,59 |
| O | 17,52 | 14,33 | 16,67 | 13,85 | 13,37 |
| Теплотворная способность Qн, ккал/кг |
Большое количество отходов накапливается в густонаселённых районах, в частности. В этих же районах имеется и наибольшая потребность в энергии. Строительство мусоросжигательных заводов наиболее уместно в таких районах, где имеются развитые тепловые сети.
Процесс сжигания ТБО происходит следующим образом.
Отходы подаются в мусоросжигающие печи с помощью грейферов. В настоящее время существует два типа печей для сжигания ТБО: в печах первого типа используются колосниковые решётки, в печах второго типа мусор сжигается в кипящем слое.
Обычно применяется слоевое сжигание ТБО на подвижной решётке. Благодаря высокой температуре в печи и наддуву, а также подвижной решётке, на которой мусор перемешивается и крошится, достигается более ровное и эффективное горение.
При сжигании в кипящем слое воздух вдувается через перфорированную пластину, на которой мусор перемешан с песком, золой и известью. Топливо составляет, как правило, небольшую часть слоя. Сжигание отходов в кипящем слое ставит более высокие требования к качеству топлива, чем сжигание на решётке. Топливо должно быть более гомогенным по размеру и составу. Кроме того, эксплуатационный персонал должен иметь более высокую квалификацию.
Полученный в процессе сжигания ТБО шлак может вывозиться на свалки или использоваться для строительства дорог. Летучая зола, накапливающаяся в фильтрах, будет содержать множество вредных элементов, поэтому с ней надо обращаться как с экологически опасным веществом.
Институт проблем химической физики РАН разработал уникальный завод по переработке как бытового мусора, так и промышленных отходов, включая автомобильные покрышки. Основной принцип технологии – непрямое, двухступенчатое сжигание, включающее предварительное термическое разложение (пиролиз) органической части исходного сырья, сжигание газообразных продуктов с использованием выделяющегося тепла на поддержание процесса и дожигание коксового остатка (КО). При этом все покидающие устройство продукты проходят через огневую зону, что обусловливает экологически чистое уничтожение твёрдых отходов (ЭЧУТО). Образующееся в процессе сжигания тепло может использоваться для теплоснабжения.
Установки ЭЧУТО могут использоваться в небольших поселениях (коттеджные застройки) в черте города и на отдельных мелких предприятиях. Так, установка ЭЧУТО-150.02 одновременно с уничтожением примерно 3 м3 отходов в сутки способна обеспечить производственные помещения предприятий теплом в количестве примерно 0,01 Гкал/ч.
Установки типа ЭЧУТО изготавливаются на территории ОАО "Компания Славич" (г. Переславль-Залесский), там же они проходят испытания на отходах различного морфологического состава. Установки, изготовленные по заказу московского правительства и отдельных унитарных структур города, прошли опытную эксплуатацию на предприятиях г. Москвы: СИЗО №1, Московская жилищная ассоциация, ОАО “ ЭНИН им. Г. М. Кржижановского”, ОАО "Компания Славич", КЭМП в городе Подольске. Установка большей производительности (до 2 т в сутки), выполнена по заказу РАО "ЕЭС России" и предназначена для утилизации бытовых отходов ТЭЦ (замасленная ветошь, резинотехнические, пищевые, упаковочные, древесные отходы, остатки лакокрасочных изделий, плёнки, пластиковые бутылки и др.). Она утилизирует низкопотенциальное тепло в количестве 0,08 Гкал/ч.
В небольших городах ТБО складируются на свалках. В больших городах на свалку отвозят то, что осталось после сортировки отходов: парковый, строительный мусор, канализационный ил из коммунальных и промышленных очистных сооружений, шлак из мусоросжигающих заводов и др.
ТБО, которые складируются на свалках, тоже могут являться источником энергии, но не в такой мере каковыми они являются при сжигании. Мусор свалок разлагается также, как и при гниении, но существенно медленнее. Внутри свалок образуется метан. На старых свалках, не предназначенных для получения газа, бурят специальные скважины, через которые отводят газ. На новых свалках закладывают специальные трубы, через которые впоследствии отводят газ.
Для получения 1 Гкал тепловой энергии требуется более чем в 10 раз больше мусора, чем при его сжигании, ориентировочно 5000 кг. В Дании из 1 тонны отходов свалок получают 2.7 м3 газа с теплотой сгорания 3700-4000 ккал/кг. Такие установки, могут быть установлены на свалках городов, где численность населения также не менее 40 тыс. человек. Минимальная производительность установки по газу – 100 м3/ч, что соответствует 450 кВт. Стоимость установки оценивается в 800 долл. США/кВт. Стоимость монтажа газопровода определяется в зависимости от расстояния полигона до ближайшей котельной. Кроме того, следует переоборудовать котёл для совместного сжигания синтез газа и угля или одного синтез газа. Эксплуатационные расходы даже с учётом снижения платы за аренду полигона и уменьшения вредных выбросов составляет 5 долл./кВт установленной мощности.
Складирование ТБО в специальных биологических ячейках имеет смысл в тех случаях, когда мусор содержит много органических материалов. Биологическая ячейка представляет камеру для гниения органических отходов, в которой через несколько недель образуется метан. Складирование ТБО в биоячейках удобнее, чем складирование мусора на свалках. Меньше газа уходит в атмосферу и практически не происходит загрязнение грунтовых вод. Кроме того, содержимое биоячейки через несколько лет будет представлять собой удобрение для сельского хозяйства.
Органический мусор (органические фракции, канализационный ил, удобрения, сельхозпродукты и т.д.) перегнивает до образования биогаза, который можно использовать в энергетике. Гниение происходит в специальных метантенках, куда закрыт доступ кислорода. Тепло и вода добавляется в таких пропорциях, чтобы создать определённую среду для анаэробных бактерий. Биогаз, состоящий главным образом из метана и двуокиси углерода, образуется через 2-3 недели и с успехом может быть использован в качестве топлива.
Термическая газификация или пиролиз – альтернатива сжиганию ТБО. Технология основана на том, что мусор нагревается при малой подаче воздуха, мусор при этом не горит, но разлагается на газ и жидкий шлак. Полученный газ может быть использован для его дальнейшего сжигания.
Камерная шина состоит из покрышки и камеры. Покрышка имеет каркас, подушечный слой, протектор, боковины и борта. Бескамерная шина состоит только из покрышки. Каркас изготовлен из нескольких слоёв прорезиненной ткани и капронового корда.
Протектор представляет собой слой резины, наложенный на каркас. Между каркасом и протектором расположен резинотканевый подушечный слой – брекер, связывающий протектор с каркасом. В бортах покрышки заделаны сердечники – кольца из стальной проволоки, обёрнутой прорезиненной тканью. Подушечный слой бывает двух видов: металлокордный и текстильный.
В общей массе автопокрышки до 10% составляет металл, до 5 % - текстиль. Средний вес покрышки составляет: легкового автомобиля – 7.5-13 кг; грузового автомобиля до 25 кг.
Гарантийная наработка шин в среднем для легкового автомобиля составляет 40-50 тыс. км, грузового – 60-80 тыс. км.
Зарубежная практика эксплуатации легковых автомобилей рекомендует единовременную замену всех четырёх покрышек. В отечественной практике принят определённый порядок перестановки для повышения срока использования. Технология восстановления покрышки посредством наварки протектора в последнее время не используется.
Жидкие углеводороды представляют собой альтернативное жидкое топливо соответствующее по своим техническим характеристикам мазуту марки М40 по ГОСТ 10585 и могут быть реализованы по аналогичной цене. Однако, последние исследования жидкого продукта показали, что жидкая фракция на 70-75 % состоит из D-лимонена, который является исходным сырьём для получения синтетического каучука, а также сырьём для фармацевтической и парфюмерной промышленности. Кроме того, жидкая фракция может быть использована как пластификатор для дорожных покрытий (асфальта). Стоимость мазута марки М-40 оценивается в 10000 руб./т
Твёрдый остаток представляет собой твёрдое вещество чёрного цвета. Содержание углерода в остатке – 87-95 %, плотность вещества – 1780 кг/м3, содержание серы до 0,3 %. Твёрдый остаток может применяться в качестве сырья для производства активированного угля. Стоимость твёрдого углеродного продукта оценивается в 350 долл. США/т.
Газообразная фракция, в основном метан, подаётся на всасывающий вентилятор горелочного устройства парогенератора для дожигания в топке.
Металлолом представляет собой куски металлической проволоки (металлокорд). Отходы представляют собой пыль, крошки, выбросы, которые не являются каким-либо продуктом для дальнейшего использования.
Основные объекты, которые должны быть на предприятии по утилизации изношенных автопокрышек, приведены в табл. 1.3.
Таблица 1.3 – Основные объекты установки для утилизации изношенных автопокрышек
| Наименование объекта | Характеристика объекта | Площадь застройки |
| Открытая площадка для хранения автопокрышек | 10-дневный запас до 300 т | не менее 600 м2 |
| Участок дробления | Производительность 3-5 т/ч | Навес, пресс, бункер, около 50 м2 |
| Технологический комплекс, котельная, система оборотного водоснабжения | Непрерывный процесс, производительность 1 т/ч | Открытая установка на площадке 20х30 м, высотой 6 м2 |
| Склад твёрдых продуктов | ‒ | 150 м2 |
| Резервуарный парк для жидких продуктов с насосной | две ёмкости по 25 м3 | 50 м2 |
| Административно-бытовые помещения | ‒ | 2 этажа, 100 м2 |
Общая площадь застройки 1500 м2, территория промышленной площадки 3500 м2. Основным энергоносителем установки является перегретый пар, расход которого составляет 1-3 тонны на тонну исходного сырья.
Пар вырабатывается в паровом котле и догревается в пароперегревателе до температуры свыше 500˚ С. Паровой котёл и пароперегреватель работают на альтернативном жидком топливе, производимым установкой. Поскольку работа установки должна быть непрерывной дополнительное топливо (например, дизельное) требуется только на период запуска. Расход топлива составляет 25-30 % от произведённого жидкого продукта. Установленная электрическая мощность установки составляет около 60 кВт.
В реактор транспортером подаются отработанные автомобильные покрышки, размером куска до 250 мм. Одновременно от парогенератора в реактор снизу подаётся перегретый пар с температурой до 525 ˚С и насыщенный пар при температуре менее 450 ˚С. В термокамере происходит термическая деструкция резины. При высокой температуре разрываются углеводородные связи, а водяной пар играет роль химического реагента. Температура в термокамере уменьшается с 500 ˚С внизу до 180 ˚С вверху.
Смесь полученных газообразных продуктов разложения и водяного пара поступает в холодильник. Не сконденсировавшийся газ насосом закачивается в газгольдер или подаётся в топку парогенератора. Конденсат пара после системы очистки вновь возвращается в парогенератор. Жидкая фракция насосом закачивается в накопительную ёмкость, где происходит отделение жидких углеводородов от воды.
Твёрдые фракции скапливаются внизу и непрерывно выгружаются при температуре до 250 ˚С. Углесодержащий остаток в сепараторе отделяется от металлокорда и транспортерами подаётся на склад. Металлокорд прессуется в брикеты.
Установка работает непрерывно в трёхсменном режиме в течении 7000 ч, при одном месяце профилактических и ремонтных работ.