Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»

Во многих странах широко применяются биоэнергетические комплексы, использующие в своей основе технологию анаэробного (метанового) сбраживания навозных стоков сельскохозяйственных предприятий. В результате такой переработки получают биогаз, который можно использовать как моторное топливо для двигателей внутреннего сгорания для выработки тепла и электроэнергии, и высококачественные органические удобрения, которыми являются твёрдая и жидкая фракция продуктов брожения. Кроме того, переработка навозных стоков анаэробным сбраживанием предотвращает загрязнение грунтовых вод, водоёмов и заражение почвы гельминтами и болезнетворными бактериями.
Несмотря на многие положительные стороны, строительство таких комплексов как очистных сооружений крупных сельскохозяйственных предприятий с использованием получаемого биогаза в качестве альтернативного возобновляемого источника энергии, широкого распространения на территории Украины не получили.
Это связано с тем, что в настоящее время не уделяется должного внимания природоохранным мероприятиям и не разработаны механизмы льготного кредитования строительства биоэнергетических комплексов.
Актуальность проблемы

Используя опыт создания установок по выработке биогаза, описанный в работе Семененко Ивана Васильевича «Проектирование биогазовых установок», с применением технологий метанового сбраживания, защищённых патентами НТУ «ХПИ», в Харьковском политехническом институте разработан проект автономного когенерационного комплекса по обеззараживанию отходов сельского хозяйства с получением биогаза и высококачественных органических удобрений.
Опыт проектирования биоэнергетических центров

НТУ “ХПИ” совместно с ОАО “НПО им.Фрунзе” (г.Сумы) была разработана технология биологической конверсии отходов животноводства с получением биогаза и сброженной массы, имеющей свойства удобрений.
В 1985 г. в г.Сумы была построена установка БИОГАЗ-301С для утилизации отходов свинофермы с поголовьем 3000 животных.
Установка стабильно работала до 2000 года, пока не была ликвидирована свиноферма.
Биоэнергетический комплекс «БИОГАЗ-301С»

Для разработанного в НТУ «ХПИ» автономного когенерационного комплекса по обеззараживанию отходов сельского хозяйства с получением биогаза и высококачественных органических удобрений выбран термофильный режим анаэробного сбраживания (52-54°С), так как, по сравнению с мезофильным (32-35°С), он обусловливает более высокую скорость разложения органического вещества, больший выход биогаза.
Полученный биогаз, представляющий собой смесь метана (60-70%) и диоксида углерода (40-30%), в дальнейшем очищается, доводится до рабочих параметров и в качестве моторного топлива подаётся в двигатели внутреннего сгорания, а твёрдая фракция перебродившей биомассы является высококачественными органическими удобрениями.
Выбор оборудования и агрегатов биоэнергетического комплекса проведён из расчёта, что ежесуточный выход жидких стоков составляет 60,5 м³ – объем, позволяющий получить биогаз в количестве, достаточном для выработки 180 кВт/ч электрической энергии и 190 кВт/ч тепловой.
Материальные и энергетические расчеты выполнены на основании методик, изложенных в действующих сегодня в Украине Нормах технологического проектирования (ВНТП – АПК - 09.06 «Навозоудаление») и вышеупомянутой работе И.В.Семененко.
Основные технические решения

Более наглядное представление о спроектированном биоэнергетическом комплексе по обеззараживанию отходов сельского хозяйства с получением биогаза и высококачественных органических удобрений дает размещение комплекса на местности, выполненное в программе Archi Cad.
Разработанный биоэнергетический комплекс

Характеристики биоэнергокомплекса

От газовой блочной электростанции АГ-200С-Т400-1Р выпускаемой в России получаем 180 кВт/ч электрической и при утилизации тепла выхлопных газов и охлаждающей жидкости 190 кВт/ч тепловой энергии, из которой для предварительного подогрева биомассы и поддержания работы метантенков в термофильном режиме затрачивается 120,5 кВт/ч. Остаток – 60,5 кВт/ч тепловой энергии - может быть использован для бытовых и других производственных нужд.
По предварительному анализу электропотребления технологического оборудования, для обеспечения технологического процесса биоэнергокомплекса, а также, бытовых условий обслуживающего персонала потребуется около 160 кВт/ч электрической энергии (88% произведенного количества). Остаток 20 кВт/ч электрической энергии может быть продано как товар.
Оценка энергетического баланса биоэнергокомплекса показывает, что энергоемкость технологии анаэробного сбраживания достаточно высока. Основное количество вырабатываемой тепловой энергии затрачивается на обеспечение технологического процесса и компенсацию тепловых потерь, вызванных рассеиванием в окружающую среду, а вырабатываемой электрической энергии на привод перекачивающих насосов и перемешивания биомассы в метантенках.
Учитывая низкую концентрацию твёрдой фракции в составе навозных стоков, принимаем удельные физические параметры этих стоков равными параметрам воды.
Оценка энергетического баланса

Предварительные финансовые затраты

Экономический эффект биоэнергокомплекса

На основании вышеприведённых данных была выполнена детальная проработка размещения с привязкой на местности комплекса по обеззараживанию отходов сельского хозяйства с получением биогаза и высококачественных органических удобрений с учётом всех требований, предъявляемых действующей в Украине нормативно-технической документации.
1. СНиП II–89-80 Генеральные планы промышленных предприятий.
2. СНиП 2.05.07-91 Промышленный транспорт.
3. ВНТП-81 Нормы технологического проектирования тепловых электрических станций.
4. СНиП II-58-75 Электростанции тепловые.
5. ДБН В.2.3-15:2007 Автостоянки и гаражи для легковых автомобилей.
6. ДБН В.2.5-20-2001 Газоснабжение.
7. СНиП 2.04.03-85 Канализация. Наружные сети и сооружения.
8. ГОСТ 12.3.006-75 ССБТ. Эксплуатация водопроводных и канализационных сооружений и сетей. Общие требования безопасности.
9. ДБН В.1.1-7-2002 Защита от пожара. Пожарная безопасность объектов строительства.
Размеры площадки, необходимой для строительства, составили 0,5…0,7 га.
Размещение биоэнергетического комплекса на местности

Размещение биоэнергетического комплекса на местности

В ы в о д ы
Предложенный Национальным техническим университетом «ХПИ» проект решает ряд природоохранных задач, обеззараживая навозные стоки крупных сельскохозяйственных предприятий и получая в результате их переработки высококачественные органические удобрения и биогаз. Полученный биогаз используется как моторное топливо для газовых двигателей внутреннего сгорания, что может обеспечить энергонезависимость этих предприятий, существенно снизить себестоимость выпускаемой ими продукции за счёт использования в производственном цикле более дешёвой электрической и тепловой энергии.
Показатели производительности, рассчитанные для разработанного биоэнергетического комплекса, и предварительный анализ энергетического баланса позволяют оценить привлекательность данного проекта.
Технология метанового сбраживания имеет замкнутый цикл, не связанный с атмосферой, что исключает попадание биогаза в окружающую среду в чистом виде. Это позволит существенно снизить выбросы СО2 в окружающую среду.