Разработка и исследование биоэнергетических установок для электро- и теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Обострение экологических проблем, истощение запасов невозобновляемых энергоресурсов, рост цен на них, обусловили глобальный интерес к разработке и использованию технологии биоконверсии органических отходов для получения энергии. В последние годы внимание общества всё более привлекается к решению двух неразрывно связанных проблем – предотвращению истощения природных ресурсов и охране окружающей среды от загрязнения. Накопление органических отходов АПК представляет собой серьезную экологическую проблему, и в то же время органические отходы являются крупным источником сырья для производства биогаза. На данный момент, как в России, так и за рубежом, известно большое количество работ, связанных с разработкой новых технологий получения энергии при утилизации органических отходов. Одним из перспективных направлений получения энергии при утилизации органических отходов является анаэробная переработка.
Каждый год в мире образуется 140 млрд. кубических метров ор
СОДЕРЖАНИЕ
РЕФЕРАТ 3
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 11
1.1 Потенциал анаэробного метаногенного сбраживания в РФ 16
1.2 Зарубежный потенциал анаэробного метаногенного сбраживания 22
1.3 Способы интенсификации процесса анаэробной биоконверсии путем предварительной обработки биомассы 28
1.4 Состояние вопроса и сущность работы аппарата вихревого слоя 43
1.5 Способы интенсификации процесса анаэробной биоконверсии путем применения микробной электролизной ячейки в биоректорах 52
1.6 Способы утилизация биогаза 58
1.6.1 Производство электроэнергии 59
1.6.1.1 Комбинированная выработка тепла и электроэнергии (ТЭЦ) 59
1.6.1.2 Технология топливных элементов (ТОТЭ) 59
1.6.1.3 Двигатели Стирлинга 60
1.6.1.4 Микрогазовые турбины 60
1.6.2 Выработка тепловой энергии 60
1.6.2.1 Потребность в технологической теплоте биогазовой системы 60
1.6.2.2 Утилизация тепла через сеть централизованного теплоснабжения 61
ВЫВОДЫ 62
ГЛАВА 2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СРЕДСТВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА АНАЭРОБНОЙ БИОКОНВЕРСИИ 65
2.2 Применение микробной электролизной ячейки 67
2.3 Внесение наночастиц в сбраживаемую массу 69
2.3.1 Основные принципы применения НЧ Fe0 и Fe3O4 в системе анаэробной биологической очистки. 70
2.3.1.1. Свойства НЧ Fe0 и Fe3O4 70
2.3.1.2 Механизм Fe0 при анаэробной биологической очистке 71
2.4 Процесс в микробной электролизной ячейке 75
2.5 Материальные и энергетические балансы элементов энергоустановки 77
2.5.1 Материальные и энергетические балансы элементов энергоустановки с применением АВС 77
2.5.2 Материальные и энергетические балансы элементов энергоустановки с применением МЭЯ 87
2.6 Критерии энергоэффективности 93
2.7 Энергетический и эксергетический анализ элементов энергоустановки с рекуперацией теплоты 95
2.8 Комплексный критерий энергоэффективности биоэнергетической установки 97
2.9 Энерготехнологическая модель энергоустановки 100
ВЫВОДЫ 104
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 105
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Izmaylov, A. Yu. Adsorption-Oxidation Technology of Wastewater Recycling in Agroindustrial Complex Enterprises/A.Yu. Izmaylov, Ya.P. Lobachevskiy, A.V. Fedotov, V.S. Grigoryev, Yu.S. Tsench // Vestnik mordovskogo universiteta = Mordovia University Bulletin. – 2018. – 28(2). – с.207–221. https://doi.org/10.15507/0236- 2910.028.201802.207-221
2. Artamonov, A.V. Effective purification of concentrated organic wastewater from agro-industrial enterprises, problems and methods of solution/A.V. Artamonov, A.Yu. Izmailov, Yu.A. Kozhevnikov, Yu.Yu. Kostyakova, Ya.P. Lobachevsky, S.V. Pashkin,
3. O.S. Marchenko // Agricultural Mechanization in Asia, Africa and Latin America. – 2018. – 49. – р. 49-53.
4. Ковалев А.А. Технологии и технико-энергетическое обоснование производства биогаза в системах утилизации навоза животноводческих ферм: дисс. д-ра техн. наук: 05.14.08/Ковалев Александр Андреевич. – М., 1998. – 242 с.
5. Ножевникова А.Н. Биотехнология и микробиология анаэробной переработки органических коммунальных отходов / А.Н. Ножевникова. – М.: Университетская книга, 2016. – 320с.
6. Key world energy statistics. – International Energy Agency (IEA), 2016. – 81р.
7. Калюжный С.В. Итоги науки и техники, сер. Биотехнология, том29 / С.В. Калюжный, Д.А. Данилович, А.Н. Ножевникова. – М.:ВИНИТИ, 1991. – 157 с.
8. Ковалев, Д. Влияние нагрузки по органическому веществу на процесс биоконверсии предварительно обработанных субстратов анаэробных биореакторов/Д. Ковалев, А. Ковалев, Ю. Литти, А. Ножевникова, И. Катраева // Экология и промышленность России. – 2019. – 23(12). – с.9-13. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-12-9-13
9. Perspectives of renewable energy sources development in Russia: Results of TACIS Europe Aid project / Nikolaev V. G. – Moscow, 2009. – 201 р.
10. Agro-industrial complex of Russia in 2013 [Электронный ресурс]. – М.: Ministry of agriculture of the Russian Federation, 2013. – Режим доступа: http://www.mcx.ru/navigation/page/show/205.htm
11. Guidelines in technological design of systems of manure removal and preparation for use. – Moscow: Ministry of agriculture of the Russian Federation, 2008. – 93р.
12. The list of qualified generating objects that function based on renewable energy sources [Электронный ресурс]. – М.: Association "NP Market Council", 2021. – Режим доступа: http://www.np-sr.ru/market/vie/index.htm
13. Altenergo: biogas station [Электронный ресурс]. – М.: Altenergo, 2021. – Режим доступа: http://altenergo.su/production/biomass-energy/
Растворимые органические соединения, которые далее могут быть преобразованы в биогаз, образуются в органических отходах в процессе гидролиза. Поэтому выход биогаза при сбраживании органических отходов находится в прямой зависимости от способности отходов к биологическому разложению и, соответственно, от скорости гидролиза. Одним из способов повышения биодоступности органических отходов является их предварительная обработка перед сбраживанием в метантенках. Предварительная обработка осадка позволяет солюбилизировать твердые частицы осадков, а также частично разложить образующиеся органические полимеры до мономеров и димеров.
Известен ряд методов предобработки органических отходов, среди которых выделяют различные способы гидролиза (кислотный, щелочной, термощелочной и термогидролиз), механическую и ультразвуковую предварительную обраб