образом, мы получим в сутки 175*(100-70)/(100-90)=525 кг субстрата. Значит, мы добавили 525-175=350 кг (или л) воды. Объем исходного навоза составлял 175/950=0,184 м3, или 184 литра. Значит, общий объем суточной порции субстрата составляет 184+350=534 л. Объем рабочей части реактора должен составить 534*16=8544 л, или 8,544 м3. Обычно, объем газового буфера реактора составляет 20% его общего объема, соответственно, объем рабочей области реактора составляет 80% его объема. Тогда полный объем реактора должен составить 8,544/80*100=10,68 м3.
Выход биогаза из такого реактора, работающего на коровьем навозе должен быть в пределах 8,5 – 9,6 м3. Это значит, что коэффициент 0,4 м3/кг ОСВ, который мы изначально взяли для расчетов, завышен в два раза. Нельзя утверждать, что он неверный, вполне возможен и такой случай, но чаще всего так не бывает.
Резюмируя все расчеты, показанные в этой главе по поводу получения биогаза, могу посоветовать только одно: «Будьте пессимистами!» Пока Вы не исследовали экспериментально конкретное сырье, для переработки которого вы собираетесь строить биогазовую установку, берите для расчетов нижнюю планку из статистических таблиц.
5.2. Тепловая энергия.
Биогазовая установка не вырабатывает тепловую энергию непосредственно, она ее потребляет. Температура самого распространенного режима работы биогазовых установок – мезофильного – составляет 37-380C, что выше, чем среднесуточная температура в европейских широтах, причем даже пиковые дневные температуры обычно ниже этой величины. Среди химических реакций, происходящих внутри биогазовой установки, есть как экзотермические, так и эндотермические. Но суммарный тепловой баланс реакций вместе с тепловым обменом с окружающей средой в наших широтах получается отрицательным. Поэтому в наших широтах подогревать субстрат в реакторе биогазовой установки приходится всегда.
Однако, биогаз, который выделяется в результате анаэробного брожения, содержит примерно 2/3 метана в своем составе. Поэтому самое первое применение для биогаза – сжигание для получения тепловой энергии. Сжигание такое производится в обычных газовых котлах или горелках, которые используются для сжигания природного газа или пропан-бутана. Но, как было сказано в первой главе, для оптимального сжигания биогаза желательно регулировать состав газово-воздушной смеси, если образование такой смеси перед сжиганием предусмотрено конструкцией горелки. Однако, если горелки рассчитаны и на природный газ и на пропан-бутан, это обозначает, что такая регулировка возможна, либо не нужна, поскольку для природного газа и пропан-бутана тоже нужна разная дозировка воздуха.
Теплотворную способность биогаза можно выразить в калориях или джоулях. Но, думаю, для обычного человека более понятным будет сравнение биогаза по теплотворной способности с природным газом. И там, и там сгорает метан, содержащийся в этих газах. Значит энергия, выделяемая при сгорании этих газов, пропорциональна количеству содержащегося в них метана. В природном газе содержится 92-98% метана, а в биогазе – 55-75%. Возьмем средние величины – 95% и 65%. Соотношение метана в этих газах получается 65/95=0,68. Это примерно две трети. Значит, для выполнения одной и той же тепловой работы (нагрева помещения, приготовления пищи) биогаза надо в полтора раза больше, чем природного газа.
КПД газовых котлов обычно составляет 90-95%. При работе газового котла на биогазе КПД может получиться меньшим из-за неточных настроек газо-воздушной смеси.
Еще одним способом получения тепла является когенерация. Когенераторы – устройства для получения из биогаза (и не только) одновременно нескольких видов энергии, обычно электрической и тепловой. Бывают поршневые и газотурбинные когенераторы. В первом случае работает классический двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, топливом для которого служит биогаз. Иногда это может быть дизельный двигатель, работающий на смеси солярки и биогаза. Тепловая энергия снимается с такого когенератора в виде горячей воды температурой около 750C, циркулирующей через теплообменник когенератора и нагревающейся там. А теплообменник, в свою очередь, может греться теплоносителем, охлаждающим рубашку двигателя, маслом картера и выхлопными газами. Тепловой КПД при этом может достигать 35-40%. Это неплохо, учитывая еще электрический КПД 30-33%.
Во втором случае работает газовая турбина на биогазе. Тепловая энергия снимается тоже в виде горячей воды, циркулирующей через теплообменник.
Таким образом, утилизация тепла, выработанного из биогаза, зависит от вида нагретого рабочего тела. Горячую воду направляют циркулировать по различным трубам и батареям отопления.
Горячими продуктами сгорания биогаза непосредственно греют емкости с водой, пищей, поверхности нагревателей и т.п. Попросту говоря, применение биогаза для получения тепловой энергии ничем кардинально не отличается от применения для этих же целей природного газа или сжиженного пропан- бутана.
5.3. Электроэнергия.
Самым широко распространенным способом получения электрической энергии из биогаза является использование газопоршневых генераторов на базе двигателей внутреннего сгорания. В данном случае топливом для такого двигателя служит биогаз. С выходным валом такого двигателя соединен электрический генератор. Чаще всего это генератор переменного тока. В большинстве случаев, а для генераторов мощностей от 10 кВт и выше - поголовно, генератор этот вырабатывает трехфазный переменный ток той частоты и напряжения, которые приняты в качестве стандартных в стране применения этого генератора. Так, например, для европейских стран, в т.ч. и стран бывшего СССР, это 50 Гц 400 В. Почему 400 В, а не 380 В? Потому что обычно такой генератор подсоединяют к общей электрической сети, соответственно, напряжение на выходе генератора должно быть немного больше (в холостом режиме), чем напряжение в этой сети, чтобы ток пошел из генератора в сеть, а не обратно.
Частота вращения электрогенератора 50 Гц обеспечивается электронной системой управления двигателя внутреннего сгорания, регулирующей подачу топлива в зависимости от скорости вращения выходного вала. Эта система также может синхронизировать частоту вращения вала с частотой в общественной сети, к которой подключен генератор.
Вторым способом получения электрической энергии из биогаза является использование газотурбинного двигателя. Частота вращения вала турбины в газотурбинном двигателе на порядки выше, чем частота вращения вала поршневого двигателя внутреннего сгорания. Из-за большого момента инерции турбины невозможно резко изменять частоту ее вращения. Поэтому обычно турбина вращает генератор постоянного тока. Постоянный ток проходит через электронный инвертор и на выходе формируется ток заданного напряжения, частоты и фазности. Точно такие же инверторы ставятся для получения электроэнергии от ветряков и солнечных панелей. И точно так же, как и в этих случаях, в газотурбинных генераторах применяются еще и аккумуляторные батареи, которые демпфируют неравномерность потребления электрического тока переменной нагрузкой у потребителя. Поэтому удельная стоимость одного киловатта электрической мощности газопоршневого генератора существенно ниже, чем газотурбинного. Но при этом стоимость технического обслуживания газопоршневых генераторов существенно выше, а срок службы до капитального ремонта – существенно ниже.
Газопоршневые двигатели чувствительны к примесям, содержащимся в биогаза. Остатки таких агрессивных газов, как аммиак или сероводород, вызывают коррозию металлических поверхностей цилиндра и поршня, выхлопных труб, окисляют масло, циркулирующее в системе смазки, из-за чего оно теряет свои смазывающие свойства. От содержания углекислого газа в биогазе зависят детонационные свойства горючей смеси воздуха с биогазом (для бензинов характеризуется октановым числом), соответственно, усложняется система регулировки угла опережения зажигания, нарушается оптимальное соотношение степени сжатия и объема камеры сгорания и т.д. И, хотя режим работы на газообразном топливе является более щадящим для поршневых двигателей внутреннего сгорания, чем режим работы на жидком топливе, вышеописанные факторы заметно ограничивают моторесурс газопоршневых генераторов, работающих на биогазе. Для промышленных устройств моторесурс обычно не превышает 5 лет непрерывной работы, предусматривающей лишь остановки для проведения ТО и регламентных работ (замена масла, свечей, прокладок и т.п.). Маломощные генераторы имеют моторесурс не более 1 года, и обычно не рассчитаны на непрерывную работу.
Газотурбинные генераторы выпускаются только большой мощности. Преимуществом их является
