Исследование принципа работы биогазовых установок с целью их дальнейшей автоматизации



Уже несколько лет в России все большую популярность набирает такая отрасль энергетики, как биоэнергетика, основой которой является использование различных биоматериалов в качестве топлива. Обусловлено это многими факторами, среди которых истощение ископаемых энергоресурсов, а также попытка с помощью биоэнергетики решить экологические проблемы. Целью написания статьи является проработка вопроса по автоматизации процесса анаэробного сбраживания органических отходов с использованием современных средств автоматизации и микропроцессорной техники.

Ключевые слова: автоматизация, система управления, биоэнергетика, биореактор, биогаз .

Начиная с последней трети двадцатого века, во всем мире наблюдается мощнейший рост производственных сил. Такая динамично развивающаяся тенденция привела к резкому увеличению потребления всех видов энергии, в основном заключенной в ископаемом топливе — угле, нефти и природном газе. В результате этого в ряде стран наблюдается острый дефицит традиционных энергоносителей. Создавшаяся ситуация усилила стремление поставить на службу человека так называемые нетрадиционные источники энергии — солнечную, ветровую, геотермальную. Солнечная энергия является наиболее привлекательной альтернативой ископаемым природным ресурсам, но преобразование солнечной энергии в тепловую или электрическую требует больших финансовых затрат на оборудование. Использование же солнечной энергии, накопленной в биомассе самый перспективный путь получения тепла и электричества. Анаэробное сбраживание (без доступа кислорода) в биогазовых установка уже широко используется во многих европейских странах [7].

В результате сбраживания получается два ценных продукта [3]:

– биогаз — газ по свойствам практически полностью аналогичен природному газу.

– шлам — полужидкая перебродившая масса, которая является ценнейшим органическим удобрением.

Не менее важная сторона применения биогазовых установок — предотвращение загрязнения воздушного и водного бассейнов, почвы и посевов благодаря утилизации и дезодорации навозных стоков, и получение обеззараженных, высокоэффективных и экологически безопасных для окружающей среды и человека удобрений [4].

Литературный обзор

Лидером биогазового рынка является немецкая компания ZORG [2], которая выполняет полный комплекс работ по проектированию, строительству, наладке биогазовых станций по передовым немецким технологиям. Проекты компании — это мощные биогазовые комплексы с высокой выработкой биогаза. Наиболее известным примером биогазовой установки на территории России является установка фирмы «КОУД» [1], продажи которой, однако, не высоки в связи с низкой рентабельностью установки. Основная причина низкой рентабельности продаж данной установки, является назначение установки. Установка «КОУД» разрабатывалась для получения биоудобрения, но потребителей интересует ещё и получение биогаза.

Разработкой малых универсальных биогазовых установок на данный момент пытаются заниматься многие предприниматели, но на рынке присутствуют единицы эффективных прототипов [6]. В связи с этим разработка эффективной системы автоматического управления процессом анаэробного сбраживания по-прежнему остаётся актуальной [8].

Теоретическое обоснование

Получение биогаза (аналог природного газа), путем анаэробного сбраживания органики, с целью дальнейшего его сжигания, является одним из наиболее перспективных направлений в развитии биоэнергетического комплекса [3]. Связано это прежде всего с тем, что анаэробное сбраживание позволяет решить сразу две проблемы:

– безопасная и безотходная утилизация органических отходов;

– получение биогаза.

На данный момент в мире наибольшее распространение получили большие биогазовые установки производительностью 1000–10000 м ³ /сутки биогаза. Стоимость таких установок достаточно высокая [6]. В условиях широкой доступности и дешевизны природного газа в России эффективность применения больших биогазовых установок невысокая. В связи с этим, применительно к России, в статье рассматривается автоматизация малых биогазовых установок, которые будут использоваться в частном секторе: обогрев жилья, обогрев мини-фермы или же для переработки отходов и получения удобрений. Такие установки рассчитаны на переработку органических отходов от частного подворья, либо от небольшой фермы. Объем биореактора в таких установках, как правило, колеблется от 3 до 30 куб. метров, а производительность от 2 до 40 куб. метров биогаза в сутки при потреблении органических отходов от 100 до 1500 литров органики в сутки [6].

Отличительной особенностью малых биогазовых установок является повышенная «капризность», то есть установки требует повышенного внимания к протекающему процессу анаэробного сбраживания. Обусловлено это малым объемом и отсутствием инертности протекающей реакции. Но между тем, малые биогазовые установки создаются, как правило, на базе стандартных пластиковых емкостей, что позволяет разбить установку на несколько независимых модулей. Модульный принцип построения установки позволяет повысить надежность и снизить вероятность затухания реакции сбраживания, а также сохраняется возможность, по мере необходимость, увеличивать производительность установки за счет добавления новых модулей [5]. Таким образом, одной из основных задач развития отечественной альтернативной энергетики должна стать: разработка индивидуальной биогазовых установок для малых фермерских хозяйств и частных подворий с возможностью модульного расширения производительности. При этом стоимость биогазовой установки должна быть привлекательной, а процесс её работы должен осуществляться при минимальном участии человека, то есть установка должна быть максимально автоматизирована [6].

Исследование

В биогазовой установке, приведенной на рис. 1 можно выделить следующие основные функциональные части: система подготовки сырья, система переработки сырья (биореактор и дображиватель), система очистки и сбора газа, система подогрева, система управления.

Рис. 1. Схема системы автоматизированного управления биогазовой установки

Алгоритм работы системы автоматизированного управления биогазовой установки состоит из следующих операций. Вначале выполняется загрузка компонентов субстрата до верхнего уровня подготовительной емкости (датчик D1). Затем подогрев и перемешивание готовящегося субстрата, критерием готовности которого служит достижение требуемой температуры. После приготовления субстрата производиться его транспортировка в биореактор с помощью насоса Н2. При этом производиться одновременный слив готового шлама через клапан К2. После окончания перекачки приготовленного субстрата из подготовительной емкости в биореактор, система переходит в рабочий режим. При этом насосы Н3 и Н4 осуществляют перемешивание субстрата каждые 8 часов по 30 минут. Электрический водогрейный котел осуществляет поддержание температуры в биореакторе и дображивателе на уровне 33–35˚С. Дискретные датчики уровня D3-D4, служат для визуального контроля уровня в системе переработки сырья. Через сутки цикл повторяется, при этом 240 л шлама сливается из системы и 240 л готового шлама добавляется в систему.

Результаты и их обсуждение

Алгоритм работы системы управления написан с учетом того, что система переработки сырья (биореактор и дображиватель) наполнены готовым субстратом и система работает в штатном режиме, используется мезофильный процесс сбраживания при температуре 30–42С. Для того чтобы вывести системы в рабочий режим необходимо:

– наполнить реактор и дображиватель готовым субстратом, при этом основой субстрата должен быть коровий навоз (при первой загрузке);

– нагреть до требуемой температуры 35С;

– ждать около 7 дней, при этом будет выделяться углекислый газ, который необходимо спустить в атмосферу. В атмосферу спускаем 4м ³ , первого выделившегося газа, то есть два объема газгольдера.

После того как углекислый газ удален из системы, начинается анаэробный процесс сбраживания органических отходов. Выделяется биогаз и шлам, процесс начинает идти в непрерывном режиме.

Выводы

Итак, современная биогазовая установка, это установка с максимальной функциональностью и максимальной автоматизацией, то есть максимально автономная установка с минимальным человеческим участием. Такая установка должна включать следующие функциональные части:

– систему подготовки сырья (емкость гомогенизации);

– систему сбраживания (обычно реактор и дображиватель);

– систему перемешивания и транспортировки;

– систему очистки и сбора газа;

– систему контроля и автоматики.

Для обеспечения максимально эффективного процесса сбраживания система должна обеспечивать контроль следующих параметров: температура, влажность, уровень pH, частота подачи сырья, частота перемешивания субстрата. Так же для обеспечения безопасности система должна контролировать давление газа в системе и задымленность рядом с установкой. В данной системе от человека требуется только лишь загрузка компонентов субстрата в подготовительную емкость и слив шлама из шламоприемника один раз в сутки. Создание рассмотренной биогазовой установки является актуальной, так как её применение позволит получить автономный источник тепловой энергии, а также предотвратить загрязнение окружающей среды фекалиями и соединениями метана.

Литература:

1. http://bio.bmpa.ru — Компания КОУД.
2. http://zorgbiogas.ru — Компания Зорг Биогаз.
3. Баадер В. Доне Е. Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика. — М.: Колос, 1982 г. — 148 c.
4. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки / Пер. с англ. М. Ф. Пушкарева; Под ред. Е. А. Бирюковой. — М.: Агропромиздат, 1987г.
5. Модульный принцип построения установок анаэробного сбраживания [Электронный ресурс] / А. П. Чекалкин, С. А. Мокрушин, В. С. Хорошавин // Общество, наука, инновации (НТК-2011): ежегод. открыт. всерос. науч.-технич. конф., 18–29 апр. 2011.: сб. материалов / Вят. гос. ун-т; отв. ред. С. Г. Литвинец. — Киров, 2011.
6. Обзор рынка биогазовых технологий [Электронный ресурс] / А. П. Чекалкин, С. А. Мокрушин, В. С. Хорошавин // Всероссийская ежегодная научно-техническая конференция «Общество, наука, инновации» (НТК-2012). Общеуниверситетская секция, БФ, ГФ, ФЭМ, ФАВТ, ФАМ, ФПМТ, ФСА, ХФ, ЭТФ: 16–27 апр. 2012 г.: сб. материалов / Вят. гос. ун-т; отв. ред. С. Г. Литвинец. — Киров, 2012.
7. Соуфера С., Заборски О. Биомасса как источник энергии. Перевод с английского А. П. Чочиа под редакцией д-ра техн. наук, проф. Я. Б. Черткова издательство Мир Москва 1985г.
8. Чекалкин А. П. Мокрушин С. А. Автоматизация процесса анаэробного сбраживания органических отходов // «Автоматизация и производство», № 1’12. — [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://ftp.owen.ru/index.html/AiP/39/aip-39–36–37.pdf .